/
Текст
М.В.Акуленок
К©КЙШ©Ш©ЕП?©В
Под редакцией И.Н.СороКИНЭ
Москва 1998
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Московский государственный институт электронной техники
(Технический университет)
М. В. Акуленок
Сборник задач и упражнений по курсу
’’Технология электронных компонентов’’
Под редакцией доктора технических наук
И.Н.Сорокина
Рекомендовано Министерством общего и профессионального
образования Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальностям "Материалы и компоненты твердотельной
электроники", "Микроэлектроника и полупроводниковые
приборы" и направлению "Электроника и микроэлектроника"
Москва 1998
УДК 621.382.002(076)
А44
Рецензенты: докт. техн, наук, проф. В.М.Андреев,
докт. техн, наук, проф. А. В. Емельянов
Акуленок М.В.
А44 Сборник задач и упражнений по курсу "Технология электрон-
ных компонентов"/ Под ред. И.Н.Сорокина. - М.: МИЭТ, 1998. -
108 с.: ил.
ISBN 5-7256-0203-6
В сборник включено 111 задач и упражнений по таким разделам
курса ФХОТМ, как хлоридный процесс эпитаксии кремния, диффузия
легирующих примесей, локальное окисление кремния, ионное легиро-
вание, плазмохимическое травление полупроводников, вакуумно-
термическое нанесение, фотолитография, а также технологические
маршруты формирования структур с полной диэлектрической и комби-
нированной изоляцией. Приведены необходимые теоретические сведе-
ния, справочные данные и примеры решения задач.
Сборник задач предназначен для студентов технологических спе-
циальностей 200.001 и 200.002.
i
ISBN 5-7256-0203-6
© МИЭТ, 1998
Введение
В сборник включены задачи и упражнения, позволяющие более
детально изучить базовые процессы технологии микроэлектроники и
варианты соединения их в технологические маршруты, которые пред-
ставляют собой основные разделы курса "Физико-химические основы
технологии микроэлектроники (ФХОТМ)".
Первая из предлагаемых тем посвящена хлоридному процессу эпи-
таксии кремния и термодинамическому анализу системы Si - Cl - Н. В
теме 2 рассматривается процесс диффузии легирующих примесей и рас-
чет параметров процесса диффузии и диффузионных структур, в теме 3
исследуется неконтролируемое перераспределение легирующих приме-
сей за счет автолегирования в процессе эпитаксии кремния. Следующая
тема посвящена кинетике локального окисления кремния и расчетам
технологических параметров процесса термического окисления. Тема 5
направлена на изучение маскирующих свойств диоксида кремния и осо-
бенностей распределения примесей на границе раздела "маска - крем-
ний" в процессах локальной диффузии. Анализу параметров процесса
плазмохимического травления, а именно степени анизотропии травле-
ния и селективности процесса травления, посвящена тема 6. В теме 7
рассмотрены особенности локальной эпитаксии кремния, в теме 8 - процесс
ионной имплантации. Тема 9 изучает процесс вакуум-термического
нанесения. В теме 10 анализируется влияние эффектов геометрической
оптики на результаты литографического процесса. Последние две темы
сборника посвящены технологическим маршрутам формирования струк-
тур с комбинированной и полной диэлектрической изоляцией.
Предлагаемые задачи и упражнения направлены главным образом
на развитие навыков практического прогнозирования результатов про-
цессов и параметров создаваемых структур, поиска оптимальных режи-
мов и условий их проведения и позволяют вывести основные законо-
мерности или некоторые полезные соотношения, например,
соотношение между толщиной окисляемого кремния и формируемого
термического диоксида кремния.
Каждая из предложенных тем включает краткие теоретические
сведения, все необходимые справочные данные, примеры решения
типовых задач, которые позволяют использовать сборник как для само-
стоятельной подготовки к практическим занятиям по курсу ФХОТМ, так
и при выполнении домашних заданий и курсовых работ, в том числе и
для дистанционного обучения
Распределение задач и упражнений, завершающих каждую тему,
имеет некоторую условность. Так, некоторые из задач требуют привле-
чения уже пройденного материала, т.е. формул, справочных данных или
прочих сведений из предыдущих тем, а иногда и решения предыдущих
задач, тогда как другие носят совершенно независимый характер. В связи
с этим при самостоятельной работе со сборником не рекомендуется
нарушать предложенный порядок изучения материала.
Сборник задач и упражнений прошел апробирование в практикуме
курса ФХОТМ, который читается для студентов физико-химического
факультета Московского государственного института электронной тех-
ники.
Автор выражает признательность доценту кафедры ФХОТМ Пуга-
чевичу В.П., а также студентам физико-химического факультета МИЭТ
Рыжову П., Жигареву Д. и Котелкиной С. за помощь в подготовке
сборника.
Тема 1
Параметры хлоридного процесса эпитаксии
Для выращивания эпитаксиального кремния применяются различ-
ные исходные кремнийсодержащие реагенты: тетрахлорид кремния
SiCLj, трихлорсилан SiHCl3, дихлорсилан SiH2Cl2, моносилан SiH4 и да-
же дисилан Si2H6. Наиболее широко используют тетрахлорид кремния,
поскольку изучен он лучше других. Рассмотрим на его примере химиче-
ские процессы, протекающие в газовой фазе эпитаксиального реактора.
Суммарная реакция водородного восстановления кремния из его
тетра хлорида
SiCI4 + 2Н2 о Si + 4НС1 Т
не отражает полного механизма и не позволяет прогнозировать резуль-
таты процесса. Механизм этой реакции включает целый ряд промежу-
точных и конкурирующих стадий, например:
SiCl4 + Н2 —> SiHCl3 +НС1
SiHCl3 + Н2 ->SiH2Ci2 +НС1
SiHCL SiCL + HC1
(1.1)
SiHCl3 + 2H2 -> SiH3CI + 2HC1
SiCl2+H2 —>Si + 2HCl
2SiCl2 —>SiCl4 + Si
Практически все указанные выше исходные реагенты возникают в
процессе водородного восстановления кремния. Поэтому часто термо-
динамический анализ, позволяющий определить состав газовой фазы и
направление протекания процесса в целом, проводят для обобщенной
системы Si - Н - С1, определяя лишь изначально величин}' параметра х,
равного соотношению гипотетических давлений неконденсирующихся
атомов, т.е. хлора и водорода:
x_ Pci
Ph ’
(1.2)
где p,.x pu - соответствующие значения гипотетического давления ато-
мов, равные сумме парциальных давлений компонентов газовой фазы, со-
держащих данный атом, с учетом стехиометрических коэффициентов, или
Ра =4Р1+3Р2+2Рз+Р4+2а + Р7'> (13)
рн =р2+2р3+Зр4 + 2р6+р7.
а также для атомов кремния psi = рх + рг + р3 + р4 + р5,
где /?, = £>sici4 - Pi = PsiHCi, > Рз = PsiH2ci2> Р4 - PsiH3Cb Ps = Psici2 >
Рб = Рн2 - Р1~ Рнсь а отношения гипотетических давлений атомов
обозначают для неконденсирующихся атомов
х = Ь>,
Рн
а с участием конденсирующегося кремния
Ра
Термодинамический анализ начинают с определения констант
равновесия возможных реакций в интересующем диапазоне температур.
Для этого по справочным данным (табл. 1.1) рассчитывают значения
свободной энергии Г иббса, т е.
AG = -P7’ln(^>)
или
kG = -bHT-TbST,
где с учетом заданного значения температуры
A Sr = №+f (Дср/Т) JT,
А Нт= ^Ho+\ bcpdT.
Таблица 11
Исходные данные для расчета констант равновесия реакций (1.1)
Компонент ккал/моль s°, ккал/моль-град Ьсг=А + ВТ+СГ\ ккал/мольград
A B/100 C
НС1 -22,0 44,65 6,27 1,24 0,30
Н2 0,0 31,21 6,52 0,78 0,12
Si o,o 4,5 5,70 0,70 -1,04
SiH, 7,3 48,87 15,38 4,88 -6,35
SiH3Cl -34,0 59,85 14,13 7,65 -3,82
SiH2Cl2 -75,0 58,47 20,34 2,58 -5,86
SiHCl3 -116,9 74,85 22,79 1,43 -4,76
SiCl4 -156,7 79,01 25,39 0,23 -3,51
SiCl2 -38,2 67,4 13,62 0,22 -1,26
В дальнейших расчетах учитывают не все возможные соединения
кремния. Для упрощения вычислений компонентами, имеющими парци-
альные давления ниже 0,1 Па, пренебрегают (например, SiH, Si2, Si3, Si2Cle,
SiCl). Для оставшихся компонентов газовой фазы определяют число неза-
висимых химических реакций, которое равно разнице между числом ком-
понентов в системе в целом г и числом атомов в этой системе е:
и = г-е.
Например, если для термодинамического анализа отобраны компо-
ненты SiCl4, SiHClj, SiH2Cl2> SiH3Cl, SiCl2, HC1, H2, то с учетом конден-
сирующегося кремния г = 8, е = 3 и для проведения термодинамическо-
го анализа требуется пять линейно независимых реакций, т.е. таких,
которые не могут быть получены линейной комбинацией других (срав-
ните с уравнениями (1.1)). Например:
Si + 4HCI <-> SiCL4 + 2Н2
Si + ЗНС1 <-> SiHCl3 + Н2
- Si + 2HCI <-> SiH2CI2
Si + HCl + H2 <->SiH3Cl
Si + 2HC1 <-> SiCl2 + H2
(1.4)
Пять уравнений закона действующих масс для этих реакций соста-
вят систему пяти уравнений с семью неизвестными парциальными дав-
лениями. Систему уравнений дополняют уравнением постоянства дав-
ления в системе Si - Н - С1 и условием постоянства соотношения давле-
ний неконденсируемых атомов х = const, характерным для изобариче-
ских процессов. Это означает, что величина х на входе в реактор, равная
4w/2(100 - w/), при заданной концентрации тетрахлорида кремния в ис-
ходной ПГС, равной т %, не изменится и в реакционной зоне (см. (1.2),
(1.3)) и будет равна величине х на выходе из реактора:
Рнс\/^Рнг +/7нс1)~ А’тЛл’б
Таким образом, система уравнений примет вид
к\ =Р\р1>Р1\
к2 = PlP(J Pi',
кз=Рз< Pi\
k4= Pt I P(>P-P
k5 = PsPb I Р7',
X = Pi 12pe -
P1+P2 + P3+P4+P5+P(,+P7=i-
Это позволит определить равновесные парциальные давления компонентов
газовой фазы через заданное значение х, известные значения констант и
парциальное давление одного из компонентов, например, через рр.
A=4^x2;
р2 = 2к2р2х',
Рз =кзР7-<
Рд=клр2/2х\ (1.5)
р5=кзР7х1^
рв = р-112х\
Pl + Р2+Рз+Р4+ P5+P(,+P7=i
ИЛИ
/77^4Аг1х2 + 2Л2х+Л3 + ^//2х^ +Р7^5/2 +^ + ^2^- 1 U 6)
Итоговое квадратное уравнение (1.6) относительно р7 позволяет
определить парциальные давления pt -5- р6, а по полученным значениям
Pi = Pi рассчитать равновесный выход кремния в процессе 0, который
определяется как отношение количества атомов кремния в конденсиро-
ванной и*; фазе к исходному количеству в ПГС :
о /мпгс
₽=«Si/«Si
Если число атомов кремния в момент равновесия считать рав-
ным , то в конденсированной фазе окажется и
«si =«sirC-«si.
тогда
о_(„ПГС „г V ПГС , (г /„пгс\
₽ - 1 «Si - «Si у/ «Si = 1 - k«Si / «Si /•
Число атомов кремния в исходной ПГС удобно выразить через со-
ответствующее количество атомов Ci (например, для тетрахлорида
кремния на 1 атом кремния приходится 4 атома хлора), так как послед-
ний не конденсируется и
=0,25 п™с,
а
0=1-4 (л^/пщ) и™ Р = 1 - 4у (1.7)
где
у=Ь-_
Ра
Очевидно, что если в равновесной ПГС у < 0,25, то происходит
осаждение кремния, если же у > 0,25, - травление кремния.
Результаты термодинамического анализа представляют в виде но-
мограмм (например, рис. 1.1) или зависимостей парциальных давлений
компонентов газовой фазы от температуры, давления, параметра х и т.п.
Однако далеко не всегда эпитаксиальный процесс описывается
равновесной реакцией. Поэтому необходимо учесть, что расчеты равно-
весной термодинамики указывают лишь на наиболее вероятную карти-
ну. В табл. 1.2 приведены результаты расчетов равновесного парциаль-
ного давления компонентов газовой фазы для суммарного давления в
системе 1 атм и для х = 0,1.
Cl/H
6
Рис. 1.1. Обобщенные результаты термодинамического анализа
системы Si - Cl - Н
Таблица 1.2
Состав газовой фазы для суммарного давления в системе 1 атм
и х = 0,1
№ п/п Компонент Равновесное парциальное давление при температуре
1000 К 1600 К
1 н2 0,938 0,8752
2 SiCl4 2,43-10‘2 1,43-10’”
3 SiHCl3 2,76-10 2 2,46-10’”
4 SiH2Cl2 8,87-10” 3,07-10”
5 SiH3Cl 1,8-10 ” 2,01-10’”
6 Sin, 3,72-10’' 9,0-10”
7 HC1 8,19-10’” 9,02-10”
8 SiCl3 3,53-10” 4,38-10’”
9 SiCl2 1,23-10” 3,3-10”
10 SiCl 6,45-10”” 3,14-10”’
11 Si2Cle 7,97-10” 1,76-10”
12 Cl2 2,11-Ю”” 1,43-10”
13 Cl 1,85-10”1 4,14-10”
14 H 2,18-10”' 5,03-10’”
15 SiH 2,88-1014 2,02-10 '
16 Si 1,64-10” ь 9,36-10”
17 Si2 1,01-Ю”1 2,49-10”"
18 Si3 4,71-10 22 5,53-10 11
Задачи
1. Рассчитайте значения энтальпии и энтропии реакций (1.1), (1.4)
для нормальных условий по данным табл. 1.1.
2. Рассчитайте значения энтальпии и энтропии реакций (1.1), (1.4)
для заданной температуры процесса.
3. Рассчитайте значения констант равновесия реакций (1.1), (1.4)
Для температуры 1100 °C. Проанализируйте результаты расчетов.
4. Определите состав газовой фазы для х = 0,01 и Т = 1100 °C. Рас-
считайте значение^ и сравните с данными номограммы.
5. Для заданного значения х = 0,01, пользуясь представленными
номограммами, определите наиболее низкую температуру, при которой
в системе Si — Cl - Н возможен рост.
6. Для парогазовых смесей
а) [ SiCl4 + Н2 + НС1 ]
б) [ SiH2Cl2 + Н2 ]
в) [ SiH4 + НС1 + Н2 ]
получите выражение для х при известном составе ПГС.
Решите обратную задачу и определите концентрации тетрахлорида
кремния и дихлорсилана, соответствующие х = 0,01, для случаев а) и б).
7. Пользуясь номограммами, определите для заданной температу-
ры концентрацию тетрахлорида кремния в системе, при которой воз-
можно осаждение. Измените состав ПГС, определите концентрацию
других кремнийсодержащих компонентов, используемых в процессе.
8. Определите температуру, соответствующую максимальному вы-
ходу кремния в системе.
9. Определите оптимальные условия процесса эпитаксии кремния в
хлоридной системе.
10. Как будет изменяться кристаллическое совершенство слоя по
мере увеличения величины Si / Cl ?
11. Пользуясь данными табл. 1.2, рассчитайте значения (3 для двух
предложенных температур и сравните полученные результаты. Сделай-
те вывод о вероятности и характере процессов, протекающих в этих ус-
ловиях.
Тема 2
Расчет технологических параметров
процесса диффузии
Если рассматривать диффузию как процесс переноса атомов в не-
равновесной системе, вызываемый только наличием градиента концен-
трации вещества, то выражение для потока вещества, проходящего в
единицу времени через единицу площади сечения перпендикулярно на-
правлению перемещения вещества, характеризуется следующим урав-
нением:
.7 = -D grad С (2.1)
где J - поток диффундирующего вещества, D — коэффициент пропор-
циональности, называемый коэффициентом диффузии, см2/с; С - кон-
центрация атомов вещества, см \
Знак минус в уравнении означает, что поток атомов (и, следова-
тельно, сам процесс диффузии) направлен в сторону' убывания концен-
трации примеси.
Уравнение (2.1) называют первым законом Фика (по имени швей-
царского физика, получившего его), согласно которому локальная ско-
рость диффузии через сечение единичной площади в единицу времени
пропорциональна градиенту концентрации растворенного вещества,
а направлена диффузия в сторону убывания концентрации примеси.
В технологии микроэлектроники используют плоскопараллельные
пластины, глубина проведения процессов диффузии много меньше
толщины пластин. Это означает, что для теоретического анализа можно
ограничиться одномерным случаем. При этом если концентрация при-
меси изменяется лишь в одном направлении, то выражение для потока
в некоторой точке с координатой х в момент времени t будет иметь вид
дС(х,1)
J(x,t) = -D--
dt
С учетом закона сохранения вещества из первого закона Фика
можно вывести выражения для второго закона Фика, согласно которому
изменения концентрации вещества в некотором объеме должно опреде-
ляться потоком внутрь этого объема:
дС dJ
dt дх
или для одномерного случая
дС д С бС"!
dt (5ху dx)
(2.2)
(2.3)
Уравнение (2.3) называют уравнением диффузии, его решение для
конкретных граничных условий описывает характер распределения
диффундирующих частиц в различных точках среды в зависимости от
времени.
Традиционно термодиффузионные процессы в технологии микро-
электроники проводят в две стадии. На первой стадии на поверхности
подложки формируют тонкую легированную область. На второй стадии
при отжиге структуры в атмосфере, не содержащей примесей, добива-
ются перераспределения введенных на первой стадии примесей в под-
ложку. Первая стадия традиционного диффузионного процесса соответ-
ствует случаю диффузии в полубесконечное тело из бесконечного
источника, вторая стадия процесса - диффузии в полубесконечное тело
из ограниченного источника.
Рассмотрим решение уравнения диффузии для этих двух случаев.
Диффузия в полубесконечное тело
из бесконечного источника
Полубесконечным телом любую монокристаллическую пластину
можно считать при условии, что диффузия проводится на глубину7, мно-
го меньшую толщины подожки. Бесконечным (или постоянным) источ-
ником называют такое состояние системы, когда количество примеси,
уходящей с поверхности в объем полупроводника, равно количеству,
поступающему на поверхность. Это означает, что количество примеси
вокруг пластины, например в газовой фазе, значительно больше, чем
в ее объеме
В этом случае граничные условия записываются как С(х, /) = О
при t = О;
С(х, /) = Со при t > 0, х = 0.
Решение уравнения (2.3) при данных граничных условиях описы-
вается дополнительной функцией ошибок
С(х,/) = С0(1 -erfc —)= Coerfc —.
2JDt 2-JDt
(2-4)
Количество примеси, введенное в подложку за время диффузии из
бесконечного источника Qt, определяется как
(2.5)
Коэффициент диффузии D - величина, экспоненциально зависящая
от температуры:
D = Do exp (- £а I кТ), (2.6)
где Еа - энергия активации диффузии, эВ (табл.2.1); к - постоянная
Больцмана, 8,6-10 эВ/K, Т - температура, К
Таблица 2.1
Коэффициенты диффузии некоторых примесей
в кремнии и германии
Элемент Германий Кремний
£>Г|, см7с ЕЛ. эВ Do, см2/с £,, эВ
Бор 1,8-10у 4,6 0,09 3,36
Галлий 35,0 3,1 4,0 3,5
Индий 0,15 2,6 16,5 4,0
Фосфор 3,6 2,5 3,85 3,66
Мышьяк 3,6 2,4 0,38 3,58
Сурьма 1,2 2,3 5,6 4,0
Висмут 4,7 2,4 1030 4,7
Медь 1,9-104 0,18 — —
Золото 1— — 0,0011 1,1
Алюминий — — 8,0 3,4
Рис 2 1. Характер распределения
донорных примесей в подложке с
концентрацией акцепторов Св
Если в объеме подложки при-
сутствует другая примесь с концен-
трацией Св, то суммарное количество
примеси С^ будет равно
СЕ = С(х,О±С& (2.7)
при этом знак минус соответствует
случаю, когда примесь в подложке и
вводимая примесь имеют разный
знак, т.е. формируется гетеропере-
ход. Глубина залегания р-п перехода
определяется условием
С(х, Г) = Св
или (см.рис.2.1)
Св = Со erfc —т=. (2.8)
2л] Dt
Диффузия в полубесконечное тело
из ограниченного источника
Этот случай соответствует условиям, когда в тонком приповерхно-
стном слое создана избыточная концентрация примеси Со, количество
которой непрерывно уменьшается в процессе термообработки, тогда как
концентрация примеси на глубине постепенно увеличивается.
Граничные условия в этом случае можно представить в виде
С(х, I) = Со при t = 0, х = О,
С(х, /) = О при t 0, х -> оо.
При этом решение уравнения диффузии имеет вид функции Гаусса
х2
С(х, /) = С., ехр (- —-). (2.9)
4/9/
Изменение поверхностной концентрации зависит как от темпера-
туры процесса, так и от его продолжительности:
Cs(t) = QI yjit Dt
Глубина залегания р-п перехода при диффузии в подложку с кон-
центрацией примесей Св определяется аналогично (2.8):
С„-С„ехр(-—)
В планарной технологии традиционно процесс диффузии проводят
в две стадии, когда на первой, более короткой, осуществляют диффузию
из бесконечного источника либо другим способом формируют сильно
легированный поверхностный слой, а на второй стадии, более высоко-
температурной, проводят отжиг структуры для перераспределения при-
меси в заданном объеме. В такой традиционной ситуации О2/2 » и
тонкий слой, созданный на первой стадии, можно считать ограничен-
ным источником примеси. При этом количество атомов примеси, вве-
денное на первой стадии, останется неизменным и
С учетом (2.9)
С(х,/)=^-
Л
£)./. х
----- ехр (--------
D2t2 4D2t2
(2.10)
В случае, когда условие Dzh >> D1/1 не выполняется, нельзя счи-
тать, что на второй стадии осуществляется диффузия из ограниченного
источника, тогда
(2.11)
C(xi, /ь /2) -
где
Id./. . х2
а = I-------, Р =------------------.
у ^2^2 4(Di/] + D2t2)
Значения интеграла (2.11) для разных значений аир приведены в
табл.2.2.
Таблица 2.2 Значения интеграла (2.11) А. 0,00066 I 0,00125 | 0,00174 1 0,00204 | 0,00224 1 0,00236 | 0,00242 | 0,00244 0,00245 | | 0,00246 1 | 0,00246 | | 0,00246 | | 0,00246 | 0,00246 |
со сп" 0,00491 Sfr600‘0 0,01333 0,01640 0,01866 | 0,02021 0,02120 | 0,02180 I 0,02213 0,02231 0,02247 1 0,02247 | 0,02247
о of I 0,01340 | | 0,02603 | I $Ш0‘0 I | 0,04668 | 0,05419 | I 88690'0 I ГО,06398 | | 0,06680 | | 0,06867 | | 0,06985 | 1 0,07141 | | 0,07141 | | 0,07141 | | 0,07147 |
о г—1 ГО,03655 | | 0,07167 j Г 0,10416 1 0,13314 | | 0,15812 | | 0,17900 | | 0,19596 | | 0,20940 | | 0,21979 | Г 0,22765 1 | 0,24431 Г 0,24682 | | 0,24708 ГО,24709 ।
1/п О 0,06035 | 0,11894 | । 0,17422 | 0,22501 | 0,27058 | IO,31062 1 | 0,34515 1 tmt'o | | 0,39903 | 0,41935 | 0,47586 | 0,49303 Г1,49825 | 0,49843
СП 0,07376 | 0,14566 | I 0,21403 J I 0,27761 | | 0,33557 | 1 0,38751 1 | 0,43340 | | Lt£Lt‘0 1 | 0,50812 | I 0,53784 I | 0,63065 | 0,66833 I 0,68698 | 0,68892
o' 0,08155 0,16119 0,23723 1 0,30837 1 ПЛ1Л‘0 0,43290 I 0,48580 | 0,53264 0,57380 0,60975 0,72899 0,78491 1 0,82694 0,82795
0,06 Г 0,09015 I 0,17838 0,26295 I I кто | 0,41626 I 0,48366 I о" 0,59940j I 0,64829 1 0,69176 0,84509 | 0,92838 1 | 0,99920 I 1,02843 1
d г—и оГ o' СП О** О МП o' КО o' о °®, о СЛ o' О г—< «-Н О of о_ СП 8
После проведения второй стадии поверхностная концентрация оп-
ределится как
2С0 / п
Ся' =—2. (2 12)
arctga
Глубина залегания р-п перехода будет соответствовать условию
С(х, 0 = Св, т.е.
х, = 2у[Й1 in-^L.
V св
Таким образом, если известна величина х7 для момента времени tt,
то для диффузии на глубину х/ потребуется время t2,
Если учесть, что для большинства структур величина Св в 103 - 105
раз ниже поверхностной концентрации, можно с точностью до 10 %
оценить глубину залегания р-п перехода по приближенной формуле
Xj =5,4 yjDt
Пример решения задачи
Задача 2.1. Определить продолжительность процесса диффузии бора из
бесконечного источника в кремний и-типа проводимости с удельным сопротив-
лением 0,5 Ом-см для создания р-п перехода на глубине 30 мкм. Поверхностная
концентрация составляет 5- 1О20 ат./см3.
Решение.
1. Поскольку бор диффундирует из бесконечного источника, то распреде-
ление примеси может быть описано уравнением
С(х, 0 = Со erfc
х
ijDt
Концентрация примеси, ат./см3
Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления от концен-
трации легирующих примесей при комнатной температуре
2. Определим по кривым Ирвина (рис.2.2) концентрацию основной приме-
си в соответствии с заданным удельным сопротивлением
Св= 1,21016смЛ
3. При заданной температуре Т = 1473 К коэффициент диффузии бора со-
ставит
D ~ 0,009 ехр
-3,36
8,65-10“5•1473J
= 3,2 1(Г16 см2 3/с.
4. Для глубины залегания примеси, на которой происходит компенсация
донорной и акцепторной примесей (х} = 30- 1(Г4 см), Св = С(х, t)
или
I
,2-1016 = 5-1020erfc
30-10~4
^Дг-ю-16^
Таблица 2.3
Значения функции дополнительной ошибки
Z erfcz Z erfc 2 z erfcz z erfcz
0 1,00000 1,0 0,15730 2,0 0,00468 3,0 0,00002209
0,1 0,88754 1,1 0,11980 2,1 0,00298 3,1 0,00001565
0,2 0,77730 1,2 0,08969 2,2 0,00186 3,2 0,00000605
0,3 0,67137 1,3 0,06599 2,3 0,00114 3,3 0,00000306
0,4 0,57161 1,4 0,04772 2,4 0,000689 3,4 0,00000152
0,5 0,47950 1,5 0,03390 2,5 0,000407 3,5 0,000000743
0,6 0,39614 1,6 0,02365 2,6 0,000230 3,6 0,000000356
0,7 0,32224 1,7 0,01621 2,7 0,000134 3,7 0,000000167
0,8 0,25790 1.8 0,01091 2,8 0,000078 3,8 0,000000077
0,9 0,20309 0,00721 2,9 0,000041 3,9 0,000000015
5 Используя табл.2.3 значений функции дополнительной ошибки,
определяем
0,000024 = erfc
3 1
зю~3
^-Дг-пг16/,
или
3-1(Г3
2^3,2-10~16/
= 2,97,
откуда искомая величина t = 8,5-104 с или 23,8 часа.
Задачи
12. Определите распределение бора по глубине структуры при его
диффузии из ограниченного источника при температуре 1200 °C в тече-
ние 30 мин при Со = 5-Ю20 ат./см3. Какова концентрация бора на глубине
1 мкм? На какой глубине будет сформирован р-п переход, если исход-
ная подложка КЭФ 0,01?
13. Предположив Со = Ю15 ат./см3 при диффузии из бесконечного ис-
точника и Т = 900 °C, рассчитайте глубину залегания перехода при диффу-
зии бора в подложку с Св = 1015 ат./см3.
14. Решите задачу 13 для диффузии из ограниченного источника.
Сравните результаты.
15. Решите задачу 13 для диффузии фосфора при тех же условиях.
Сравните резу тьтаты.
16. Проводится одновременная диффузия бора и фосфора, исход-
ные поверхностные концентрации которых с ^ответствуют пределам
растворимости (рис.2.3). Температуре процесса 1200 °C. Какая структу-
ра будет сформирована в результате такого процесса?
17. Рассчитайте смещение р-п перехода относительно металлурги-
ческой границы в процессе выращив ,ния эпитаксиального слоя на под-
ложке со скрытым слоем, легированным на у ровне пределов раствори-
мости примеси а) Р, б) Sb, в) As. Температура процесса 1200 °C,
продолжительность 15 мин.
18. Как изменится смещение р-п перехода относительно металлур-
гической границы, если в процессе, описанном в задаче 17, использова-
ны сильно легированные подложки, а не структуры со скрытым слоем?
19 Определите требуемую толщину пленки оксида кремния в ка-
честве маскирующего покрытия для диффузии боря на глубину 0,2 мкм
при Т = 1100 °C при продолжительности процесса 30 мин. Предположи-
те, что в оксиде распределение примесей можно описать функцией до-
полнительной ошибки.
Концентрация примесей в кремнии, ат./см3
Рис. 2.3. Растворимость некоторых примесей в твердом кремнии
20. Оцените относительное и абсолютное изменение глубины зале-
гания перехода, сформированного диффузией из бесконечного источни-
ка, если при проведении процесса произошло: а) повышение; б) пони-
жение температуры на 10 °C в течение 1/5 заданного времени.
21 Заданы параметры эмиттерной и базовой областей и-р-и транзи-
стора Для эмтгера поверхностное сопротивлени составляет 25 Ом/П,
глубина залегания перехода 0,25 мкм; д ля базовой области поверхностно,
сопротивление 500 Ом/П, глубина залегания перехода 0,5 мкм. Предложи-
те параметры двухстадийного процесса диффузии эмв пера
22 Решите задачу 21 в предположении что на первой стадии про-
цесса проводится ионное легирование структуры до пределов раствори-
мости.
23. Эпитаксиальным слой, выполняющий роль коллектора п-р-п
транзистора, имеет удельное сопротивление 0,5 Ом-см и толщину 1,2 мкм.
Рассчитайте параметры процесса формирования базовых областей с
поверхностным сопротивлением 600 Ом/П и глубиной залегания пере-
хода 0,5 мкм в случае, когда: а) проводится дву (стадийная диффузия,
б) иа первой стадии на поверхность осаждается пленка сильно легиро-
ванного оксида, в) на первой стадии на поверхность структуры осажда-
ется слой поликремния и проводится ионное легирование на всю еге
толщину.
24 Решите задачу, обратную 23, задав температуру второй стадии и ее
продолжительн' ль Сравните результирующие параметры структур.
25. Как изменЯ1СЯ параметры скрытого слоя с поверхностным сопро-
тивлением 300 Ом/П и глубиной залегание перехода 0,5 мкм после каждой
из последующих высокотемпературных операций, л) эпитаксия Т3\ б) ло-
кальное окисление, 7О, в) формирование базовых областей, Тб?
Получите уравнение в общем виде для п высокотемпературных опе-
раций.
26. Сравните значения коэффициентов диффузии и пределы раство-
римости в кремнии фосфора сурьмы и мышьяка, выберите примесь для
формирования мегодами диффузии а) п+ митгерных областей, б) гГ
скрытого слоя, в) п раз гелительных областей Обоснуйте свой выбор
Тема 3
Изучение автолегирования в процессе
газофазной эпитаксии кремния
В процессе автоэпитаксии кремния происходит неконтролируемое
перераспределение легирующих примесей, размытие профиля их рас-
пределения, изменение концентрации носителей заряда и т.п. Явление
неконтролируемого перераспределения примесей из подложки (или
скрытого диффузионного слоя) в растущий эпитаксиальный слой назы-
вают автолегированием. Подобные процессы протекают при термооб-
работке любой метастабильной микрогетерогенной системы, их учет
важен при создании элементов ИС с субмикронными размерами. Оче-
видно, что уменьшение размеров элементов, увеличение плотности их
компоновки требуют создания эпитаксиальных структур с резкими
профилями распределения примесей. Негативным следствием автолеги-
рования является перераспределение примесей на границе "эпитакси-
альный слой - подложка" и увеличение протяженности переходного
эпитаксиального слоя (ПЭС), что отрицательно сказывается на характе-
ристиках приборов. Для биполярных транзисторов, традиционно ис-
пользующих высокоомный эпитаксиальный слой на низкоомной под-
ложке в качестве коллектора, такое размытие профиля распределения
примесей скажется прежде всего на:
• величине пробивного напряжения перехода "база - коллектор",
которое зависит от протяженности области х; (рис.3.1) и, следовательно,
определяется величиной ПЭС при заданной толщине эпитаксиального
слоя;
• размерах коллектора и, следовательно, на величине сопротивле-
ния тела коллектора RK, быстродействии прибора и частотных характе-
ристиках. поскольку постоянная времени
Улучшение частотных характеристик и быстродействия биполяр-
ного транзистора требует уменьшения размеров коллектора при опти-
Рис. 3.1. Характер распределения
легирующих примесей в активной
части транзистора
мальной величине xf, т.е. уменьшения протяженности ПЭС между
высокоомным эпитаксиальным слоем и низкоомной подложкой. Улуч-
шение частотных характеристик полевых транзисторов КМОП ИС свя-
зано с увеличением времени жизни неосновных носителей заряда, а
также с уменьшением паразитных емкостей, со снижением величины
встроенного заряда и, следовательно,
со снижением влияния подложки и
уменьшением величины переходного
эпитаксиального слоя.
Для большинства биполярных
приборов необходимо изменение
концентрации легирующих примесей
как минимум на 2 порядка, а для
некоторых на 3 - 4 порядка в очень
узкой области переходного эпитак-
сиального слоя. Это может состав-
лять 0,3 мкм и даже 0,1 мкм.
Рис. 3.2. Источники автолегирования
На рис.3.2 схематично представлены основные источники автоле-
гирования: 1 - твердотельная диффузия примеси из низкоомной под-
ложки (или скрытого диффузионного слоя); 2 - испарение примесей с
поверхности сильно легированной подложки на стадии предэпитакси-
альной термообработки и последующая их адсорбция в процессе роста
эпитаксиального слоя на поверхности подложки; 3 - десорбция приме-
сей с обратной стороны низкоомиой подложки и с ее боков; 4 - десорб-
ция неконтролируемых примесей со стенок реактора и с подложкодер-
жателя.
Предотвратить поступление примеси со стенок реактора позволяет
тщательная его очистка. Поверхность графитового подложкодержателя
покрывают слоем пироуглерода, карбида кремния, высокоомного поли-
кремния, чем предотвращается активная десорбция неконтролируемых
примесей с его поверхности. И если от десорбции примесей с обратной
стороны можно защититься, например, маскированием нерабочей сто-
роны подложки слоем нитрида кремния, диоксида кремния или высоко-
омного поликремния, то источники 1 и 2, дающие основной вклад в
размытие профилей распределения примесей, требуют особого внима-
ния.
На рис.3.3 представлен график распределения легирующей примеси
в структуре р-р+, на котором штрихованная область соответствует сум-
марному количеству примеси, перешедшей в растущий эпитаксиальный
слой, тогда как для структуры р —п (см. рис.3.4) происходит не сложе-
ние, а компенсация примесей.
Выделенный на рис.3.3 участок профиля распределения А связан с
твердотельной диффузией легирующей примеси в растущий эпитаксиаль-
ный слой (источник 7), эта составляющая автолегирования носит название
Рис. 3.3. Профиль распределе-
ния примесей в р-р*-структуре
Рис.3.4. Смещение р-п перехода
относительно металлургиче-
ской границы вследствие
автолегирования
вертикальной. Диффузионная, или вертикальная составляющая автолеги-
рования приводит к искажению результирующего профиля распределения
примесей непосредственно над легированным участком, например над
скрытым слоем. Участок В (рис.3.3) соответствует примеси, испарившейся
на стадии предэпигаксиальной термообработки, перенесенной в газовой
фазе и затем вошедшей в растущий эпитаксиальный слой (источник 2). Эту
составляющую называют горизонтальным автолегированием, поскольку
благодаря переносу примеси в газовой фазе автолегирование происходит
не только над локальным диффузионным слоем, ио и на других частях под-
ложки, и даже на других подложках расположенных в реакторе.
Для моделирования процессов автолегирования в условиях пере-
мещения межфазной границы с некоторой скоростью V, что соответст-
вует росту эпитаксиального слоя, используют ряд допущений:
- коэффициент диффузии легирующей примеси предполагается не
зависящим от концентрации примеси и постоянным в течение процесса
при Т - const, D = const;
- скорость роста эпитаксиального слоя также предполагается по-
стоянной , v = const;
- значения коэффициента диффузии легирующей примеси в под-
ложке и в эпитаксиальном слое принимаются равными;
- подложка считается легированной однородно по всей толщине,
концентрация легирующей примеси в ней Со = const или
lim С(х,/) = С0.
х—>оо
В соответствии с законом Фика
Граничные условия
С(х, t)=C0-,
lim C(x,t) = C0;
X—>СС
дС
dt
(v-|jc(x,z),
где С(х, t) - концентрация примеси, зависящая от времени термообра-
ботки и расстояния от поверхности подложки; х - расстояние от грани-
цы раздела "эпитаксиальный слой - подложка", ось х расположена пер-
пендикулярно поверхности подложки, положительное направление
принято в сторону эпитаксиального слоя; Со - исходная концентрация
примеси в подложке; t - текущее время; D - коэффициент диффузии
примеси для данной температуры; К - коэффициент скорости испаре-
ния примеси; v — скорость роста эпитаксиального слоя.
Решение уравнения (3.1) для изменения концентрации легирующей
примеси по нормали к границе раздела "эпитаксиальный слой - подлож-
ка" имеет вид
C(x,t) г ( х
Co [2-jDt) I 2K J AD ) {2-jDt J
(2К + у\ (v + К / „ C) f 2r(v +A^)—x')
+ — ------ exp ------(yt + Kt — x) erfc —-—. (3.2)
V 2K ) у D J 2'iJDt
Если скорость роста принять V = 0, то уравнение (3.2) превраща-
ется в уравнение перераспределения примеси при термообработке:
С(х,Г) г( — х (К Л Kt-x\ _
------- = erfc —7= + exp —(Kt - x) erfc —7=- , (3.3)
c0 UVdzJ \Dv ') {jDt )
для которого ряд принятых допущений отпадает.
Полученные уравнения (3.2), (3.3) справедливы для равномерно
легированной подложки. Если на поверхности подложки сформирован
сильно легированный диффузионный слой (будущий скрытый слой) и
если его глубина
хэ >4л/^э .
то уравнения (3.2), (3.3) могут быть использованы без изменений. Если
же это условие не выполняется и в подложке имеется диффузионный
слой с распределением примеси по закону
С(х, f) = G.exp ——
\4D1r1 J
где D\, ti - соответственно коэффициент диффузии и продолжитель-
ность второй стадии процесса диффузии, то решение уравнения (3 1)
для v = 0 примет вид
и позволит оценить перераспределение примеси и построить расчетный
профиль распределения примеси в растущий слой после предэпитакси-
альной термообработки структуры со скрытым слоем. После преобразо-
ваний для х = 0 (для излучающей поверхности) уравнение (3.4) примет
вид
С(0, 0 = Сп [ exp (р2/) erfc (Р д/7)],
где
р(7) =
К(Т)
а коэффициенты испарения и диффузии зависят экспоненциально от
температуры:
/ F 1
ад = ^оехр --4 ,
\ кТ)
( F \
/)(П = Дехр --f ,
V кТJ
где Ed, Ек - соответственно энергии активации процессов диффузии при-
меси и испарения ее с поверхности кремния Кинетические характеристики
процессов испарения и диффузии примесей приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1
Коэффициенты испарения и коэффициенты диффузии основных
легирующих примесей для кремния
_ Примесь Коэффициент испарения, см/с Коэффициент диффузии, см2 /с
As 1,0-10|и ехр (-5,157/7(7) 0,38 ехр (-3,58/7(7)
В 1,43-10'’ ехр (-3,53/7(7) 0,09 ехр (-3,35/7(7)
Р 3,05-10" ехр (-3,87/7(7) 10,5 ехр (-3,66/7(7)
Sb 3,62-10“'* 5,6 ехр (-4,077(7)
Примеры решения задач
Задача 3.1. В предположении твердотельного механизма автолегирования
оцените смещение р-н перехода от металлургической границы при проведении
эпитаксии на подложках с п+ скрытым слоем.
Решение
Заданные условия будут соответствовать диффузии из ограниченного ис-
точника при , т.е. распределение примеси, диффундирующей
из скрытого слоя в растущий эпитаксиальный, может быть описано гауссовой
зависимостью
С(х,1) = Соехр
4А'э/
где О, - коэффициент диффузии примеси из скрытого слоя для температуры
эпитаксии; 13 - продолжительность процесса эпитаксии.
Тогда для условия образования р-перехода в эпитаксиальном слое
С(х,/) = Соехр
к
4 А'э J
или
где Сэ- заданный уровень легирования эпитаксиального слоя.
Задача 3.2. Получите аналитическое выражение для области постоянной
концентрации в коллекторе транзистора (лу, рис.3.1).
Решение
В соответствии с профилем распределения примесей в биполярном пла-
нарно-эпитаксиальном транзисторе
х/— d3- de — dn^c.
где d3 - толщина эпитаксиального слоя, соответствующая глубине залегания ме-
таллургической границы; г/пэс — толщина переходного эпитаксиального слоя
(ПЭС), d6 - итоговая толщина базовой области, полученная по окончании тех-
нологического процесса.
При заданных скорости роста Уэ и продолжительности процесса эпитак-
сии А,
V3t3.
За счет неконтролируемого перераспределения примесей в эпитаксиаль-
ный слой величина djn, определяемая по глубине залегания металлургической
границы, оказывается отличной от глубины залегания p-и перехода "эпитакси-
альный слой - скрытый слой" (см. рис.3.4). Эта разница приблизительно соот-
ветствует протяженности переходного эпитаксиального слоя:
^мг ^р-п ~^пэс •
В общем случае протяженность ПЭС связана как с вертикальным, так и с
горизонтальным источником автолегирования. Оценить добавку, связанную с
газофазной составляющей автолегирования, сложнее.
Допустим, что
I 4D t
<7ПЭС«2Д«2 -1^-,
у 1п(С0/Сэ)
где величина Л соответствует найденной в предыдущей задаче. В условиях
движущейся границы решение уравнения (3.1) имеет вид
(-М) Гл с г I Х ) Л
——= O,5erfc —- -------------- exp —(v/-x) erfc -—;=- +
Q |_ I 2K ) J [ijDt J
+ (v + K, „ Л (2t(y + K)-x\ f x2
Г 2K ) \ ' 'J I 2y[Di JJ 4DtJ
где CB - концентрация примеси на поверхности скрытого слоя; К - коэффици-
ент испарения примеси.
Оценим толщину базовой области d6, которая определяется режимами ба-
зовой и эмиттерной диффузии.
Если по окончании стадии разгонки базовой области
( х2 А
С6(х,Г)=С0б ехр ,
к J
то Дополнительная термообработка в условиях формирования эмиттера (индекс
"эм") изменит профиль до
Q(x,0 = Q6exi: -
х2
.2
ext------------
4D t
у эм*эм у
_r rJ ЛДи/эм+^б)
— '—-Л CAL
6 4D6t6D t u
\ и V эм эм
4^6 ,
При этом глубина залегания перехода "база - коллектор" будет соответствовать
С6(х, /) = Сб, т.е.
7Г-^ехР -
С0б к
X2 (Ам^м+^б
4 D6t6D3Mt3M
или
d6 =
-4ДбДзмУэм
1п(Сэ/СэмХ£^'эм+ад'
Таким образом,
_ v [ _ 2 / 4Д/Э _ I 4РбРэм/б/зм
f ээ \1п(С0/С3) 1п(Сэ/С0{.)(£>эм/эм+D6f6) '
Задачи
27. Рассчитайте величину смещения р-п перехода от металлурги-
ческой границы в процессе эпитаксии на подложках со скрытым
и+-слоем, легированным фосфором, при температуре эпитаксии 1200 °C,
продолжительности процесса 15 мин, поверхностной концентрации
21 -3
фосфора в скрытом слое 10 см и уровне легирования выращиваемого
17-3
р-эпитаксиального слоя 10 см . Как изменится величина смещения
при снижении температуры процесса на 100 градусов, на 200 градусов?
28. Рассчитайте смещение р-п перехода относительно металлурги-
ческой границы при выращивании эпитаксиального слоя на
21 -3
п -подложках, легированных фосфором на уровне 10 см Пользуясь
условиями задачи 27, сравните, как изменяется величина смещения для
проведения процесса на подложках со скрытым слоем с той же поверх-
ностной концентрацией.
29. Сравните величину смещения р-п перехода относительно ме-
таллургической границы при эпитаксии на подложках со скрытым слоем,
легированных бором и фосфором. Температура эпитаксии 1100 °C, про-
должительность процесса 15 мин, уровень поверхностной концентрации
20 3 ...16 -3
10 см , уровень легирования эпитаксиального слоя 10 см .
30. Как изменится смещение р-п перехода относительно металлур-
гической границы при замене фосфора на мышьяк? Условия соответст-
вуют задаче 28.
31. Как изменится смещение р-п перехода относительно металлур-
гической границы при замене примеси в скрытом слое с фосфора на
сурьму? Уровень поверхностной концентрации принять в соответствии
с пределами растворимости примесей. Температура процесса 1100 °C,
продолжительность роста 15 мин. Уровень легирования эпитаксиально-
16 -з
го слоя 10 см . Проанализируйте результаты.
32. Сравните смещение р-п перехода относительно металлургиче-
ской границы для сурьмы и мышьяка в скрытом слое. Условия задачи
принять те же, что и в задаче 30. Проанализируйте результаты расчетов.
33. Какова протяженность области постоянной концентрации в
коллекторе биполярного транзистора, если температура эпитаксии 1100 °C,
продолжительность роста 15 мин, температура второй стадии базовой
диффузии 1000 °C, ее продолжительность 60 мин, продолжительность
эмиттерной диффузии 30 мин при температуре 900 °C? Скрытый слой
легирован мышьяком. Уровень легирования р-эпитаксиального слоя
П -3
10 см . Как улучшить пробивные характеристики такого транзистора?
34. Как изменятся частотные и пробивные характеристики транзи-
стора, сформированного в соответствии с условиями задачи 33, если
скрытый слой легировать не мышьяком, а сурьмой?
Тема 4
Поток частиц, диффундирующий через оксид, описывается зако-
ном Фика:
„ас
Ф2= -D---
dr
Кинетика локального окисления кремния
Среди известных математических моделей процесса термического
окисления кремния одна отличается своей применимостью в широких
пределах эк периментальных условий она работает в диапазоне темпе-
ратур от 700 °C до 1300 °C. в широком диапазоне парциальных давле-
ний окислив ля: от 2-104 до 1-10 Па и толщин создаваемых пленок: от
30 нм до 2000 нм. Кроме того, эта модель оказывается пригодной для
описания как процессов окисления, протекающих в парах воды, так и
для процессов окисления в атмосфере сухого кислорода.
Предложенная Диллом и Гроувом, эта линейно-параболическая
модель предполагает, что в процессе окисления происходит:
• адсорбция окислителя на поверхности подложки (без химическо!
взаимодействия);
• диффузия окислителя по междоузлиям или вакансиям через сформ,
рованный оксид г глубь структуры;
• химическое взаимодействие окислителя с кремнием на границе
раздела "оксид - кремний".
К поверхности Подложки диффундируют компоненты газовой фазы
например, молекулы воды, (рис.4.1), затем после их диссоциативн.
адсорбции через оксид к границе раздела
Si - SiO2 диффундируют либо частицы
ОН”, либо атомы кислорода, и на границе
раздела фаз Si и SiO2 происходит их
взаимодействие с кремнием. Предполаг
ется, что потоки Ф] = Ф2 = Фз равны и по
отношению к окислителю выполняются
условия материального баланса. При этом
в газовой фазе поток Ф] пропорционал
0 х гра щеыу концентрации окислителя в
газовой фазе и на поверхности подложки:
Рис. 4.1. Распределение окислителя Ф, = /)1(СГ — Сд),
в системе "газовая фаза-оксид- где _ коэффициент массопереноса
кремнии окислителя в газовой фазе.
или
Ф2 = £>(С0 - С,) / хО1С
где D - коэффициент диффузии частиц окислителя в оксиде;----гоа-
dx
диент концентрации окислителя в оксиде.
На границе раздела фаз Si — SiO2 поток Фз пропорционален кон-
станте скорости соответствующей реакции окисления и концентрации
окислителя С,:
Ф3 = ksCt.
Скорость роста оксида определяется как
dr _ В
dl 2х + А ’
(4-1)
где хок - текущее значение толщины пленки оксида; t - время; А, В -
коэффициенты, а именно
здесь Е - растворимость частиц окислителя (например, атомов кисло-
рода) в оксиде, Nx - количество кислорода, приходящееся на образова-
ние единицы объема SiO2.
Решение уравнения (4 1) в общем случае имеет вид
7
хок хок = В(1 + т), 14 2)
где т - величина, учитывающая наличие первоначального оксида на по-
верхности подложки и равная времени, неооходимому на его образова-
ние. Часто принимается равной 0.
Для частных случаев решение уравнения (4.2) имеет более простой
ВВД Так, для процессов формирования тонких слоев SiO2 при неболь-
ших значениях t
(В\
Хок~ - (' + *)•
(Л J
Для продолжительных процессов окисления и создания толстых
слоев диэлектрика
хок~ .
Константы В, А и В!А зависят от характера окислителя и его парци-
ального давления, температуры процесса, кристаллографической ориен-
тации подложек и табулированы (табл.4.1-4.3)
Таблица 4.1
Константы скорости окисления кремния во влажном кислороде
Температура, °C А, мкм В, мкм2/ч В/А, мкм/ч т, ч
1200 0,05 0,720 14,40 0
1100 о,п 0,510 4,64 0
1000 0,226 0,287 1,27 0
920 0,5 0,203 0,406 0
Таблица 4.2
Константы скорости окисления кремния в сухом кислороде
Температура, °C А, мкм В, мкм2/ч В/A, мкм/ч т, ч
1200 0,040 0,045 1,12 0,027
1100 0,090 0,027 0,30 0,076
1000 0,165 0,0117 0,071 0,37
920 0,235 0,0049 0,0208 1,40
800 0,370 0,0011 0,0030 9,0
Таблица 4.3
Влияние кристаллографической ориентации подложек на
константы скорости окисления кремния во влажном кислороде
Температура, °C Ориентация А, мкм В, мкм7ч В/A, мкм/ч
900 (ЮО) (1П) 0,95 0,60 0,143 0,151 0,150 0,252
950 (100) (111) 0,74 0,44 0,231 0,231 0,311 0,524
1000 (100) (111) 0,48 0,27 0,314 0,314 0,664 1,163
1050 (100) (111) 0,295 0,18 0,413 0,415 1,400 2,307
1100 (100) (111) 0,175 0,105 0,521 0,517 2,977 4,926 __
Пример решения задачи
Задача 4.1. Определите, какое количество кремния необходимо окислить
для формирования пленки диоксида кремния толщиной 1 мкм.
Решение
Предположим, что количество атомов кремния в исходном и в создаваемом
оксиде неизменно, т.е. выполняются условия материального баланса: NS\ — №ю2-
В общем случае количество атомов определяется молекулярной массой и
плотностью вещества:
где V - объем; N- число Авогадро; р - плотность; М - молекулярная масса.
Тогда для участка площадью 5 и высотой h
А, _ ^'^Si-^aPsi _ ^’^SiO2^aPsiO2
'’St " 9
mSOi
и после сокращений и преобразования имеем
^Si _ PsiO2^Si
^Si02 Ps^SiO2
Значения плотностей диоксида кремния и кремния равны соответ ственн >
Psi = 2.27 г/см'. Psio2= 2,33 г/см'. Молекулярные массы A7si = 28 иЛ7К1О2 = 60.
Подставив данные в полученное выражение, получаем окончательное со-
отношение между толщинами окисляемого кремния и его диоксида:
hsi / Лкюг ~ 0.47,
которое показывает, что для формирования пленки SiO2 толщиной 1 мкм необ-
ходимо окислить 0,47 мкм кремния.
Задачи
35. Определите, как изменится толщина подложки при окислении
слоя кремния толщиной 1 мкм.
36. Структура КНС, имеющая слой кремния толщиной 2 мкм, под-
вергается окислению во влажном кислороде в течение 8 чассв при
Т = 1100 °C. Определите толщину диоксида кремния, который будет
при этом создан.
37. При послойном удалении тонких слоев кремния пользуются
методом анодного окисления с последующим травлением оксида в HF.
Как определить толщину удаленного кремния? Предложите калибро-
вочную кривую
38 Как изменяется толщина подложки в процессе окисления? По-
лучите выражение, пользуясь соотношением между толщинами окис-
ляемого кремния и диоксида.
39. Рассчитайте продолжительность процесса окисления при
Т= 1000 °C для получения хок = 2 мкм в сухом, во влажном кислороде.
Сравните полученные значения.
40 Проводится процесс локального окисления через маску нитрида
кремния. Пленка нитрида кремния толщиной 50 нм выдерживает
8 часов окисления в парах Н2О при Т= 1000 °C. Каким окажется рельеф
поверхности подложки после локального окисления и удаления Si3N4?
Какова будет толщина окисленной области? Как изменятся геометриче-
ские размеры окисленной области по сравнению с размерами окна в
маске?
41. В подложке кремния вытравлена узкая глубокая канавка шири-
ной 1 мкм и глубиной 6 мкм. Верх структуры маскирован слоем Si3N4.
При Т = 1100 °C в сухом кислороде пластина окисляется до полного за-
полнения канавки диоксидом кремния. Какой окажется ширина изоли-
рующей области? Сколько времени на это потребуется? Как изменится
продолжительность процесса во влажном кислороде?
42. Допустим, что при проведении термического окисления про-
изошло неконтролируемое отклонение температуры от заданного. Когда
такой "сбой" окажет более существенное влияние на отклонение тол-
щины выросшей пленки диоксида кремния от номинального значения:
• при повышении или при понижении температуры?
• в начальной или в завершающей стадии процесса?
43. В технологическом процессе окисления обрабатываются под-
ложки разных ориентаций: (100) и (111). Как будут отличаться резуль-
таты процесса окисления их во влажном кислороде при Т = 1000 °C в
течение 4 часов? Как изменятся эти различия при увеличении или
уменьшении температуры? Когда влияние ориентации наиболее замет-
но - при формировании толстых слоев диоксида кремния или при соз-
дании тонких?
Тема 5
Маскирующие свойства диоксида кремния.
Сегрегация примесей на границе раздела
"кремний - диоксид кремния"
Одно из наиболее полезных свойств диоксида кремния - способ-
ность пленки SiO2 служить в качестве маскирующего покрытия для
процессов локальной диффузии легирующей примеси.
Для того чтобы легирующая примесь не достигала поверхности
кремния, маскированного SiO2, при диффузии через оксид, необходимо,
чтобы скорости диффузии в оксиде были достаточно низкими по отно-
шению к скоростям диффузии той же примеси в кремнии. Сравните
значения коэффициентов диффузии основных легирующих примесей в
оксиде и в кремнии, пользуясь данными табл.2.1 и 5.1. Необходимая
толщина оксида опреде^ется из условия предотвращения инверсии
типа проводимости маскированной области. Для надежности эта мини-
мально необходимая толщина в реальных процессах увеличивается
Таблица 5.1
Значения коэффициентов диффузии легирующих примесей
в диоксиде кремния
Примесь Коэффициент диффузии в диоксиде кремния, см2/с Примечания
Бор 7,23- 1(ГЬ ехр (-2,38/77) 1,23-ЮЛхр (-3,39/77) 3,16-10^ ехр (-3,53/77) Для кислородсодержащей атмосферы Для инертной атмосферы (аргон) Для боросиликатного стекла
Фосфор 5,73-10 ’ ехр (-2,3/77) 1,86 10 1 ехр (-4,03/77) Для атмосферы азота Для фосфорно-силикатного стекла
Сурьма 1.31-10’16 ехр (-8,75/77) Для кислородсодержащей атмосферы
в несколько раз, обычно толщины маскирующего диоксида кремния
лежат в диапазоне 0,5 - 0,7 мкм. Распределение примеси в оксиде
хорошо описывается дополнительной функцией ошибок:
С(х, f) = C’nerfc —J= , (5.1)
„ „ з
где Co - поверхностная концентрация легирующей примеси, см ;
D - коэффициент диффузии примеси в оксиде, см/с (табл.5.1);
t время, с: х - текущая координата, ось, направленная в глубь структу-
ры, см.
Однако для корректного определения минимально необходимой
толщины маскирующего диэлектрика следует учитывать неравномерное
распределение примесей на границе "кремний - диоксид кремния".
Отношение равновесной концентрации легирующей примеси в кремнии
C’S1 к ее равновесному значению в оксиде CS1C, на границе раздела фаз
называют равновесным коэффициентом сегрегации т,
т = - ,-S‘- . (5.2)
QsiO2
Значения коэффициента сегрегации примеси, установленные экс-
периментально, могут отличаться от равновесного значения. Такой экс-
периментально установленный коэффициент называют эффективным
коэффициентом сегрегации отэф. Величина его зависит от условий
проведения процесса - от кристаллографической ориентации струк-
туры, температуры процесса, атмосферы (или источника легирующей
примеси). Так коэффициент сегрегации бора на границе Si - SiO2 в ат-
мосфере чистого кислорода составляет
гиЭф= 13,4 ехр (-0,33/47),
для влажного кислорода в зависимости от кристаллографической ори-
ентации подложки
От(ш) = 65,2 ехр (-0,66/4’7);
>W(ioo)= Ю4,0 ехр (-0,66/47).
Значения коэффициента сегрегации бора ниже единицы
(см. рис.5.1) в отличие от коэффициентов сегрегации фосфора, сурьмы и
мышьяка (см. рис.5.1). Для фосфора и сурьмы значения я 10, а для
мышьяка это наибольшая величина, и для температур выше 1000 °C
может быть принята л/Эф я 20.
Рис. 5.1. Влияние сегрегации примесей на границе раздела на профиль
распределения легирующих примесей: а - т < 1; б - т > 1
Пример решения задачи
Задача 5.1. Какой толщины оксид необходим для предотвращения инвер-
сии базовой области в процессе эмиттерной диффузии при Т = 900 °C при фор-
мировании п-р-п транзистора, параметры которого приведены в табл.5.2?
Таблица 5.2
Параметры активных слоев транзисторной структуры
Активный слой Параметры Значения параметров
Подложка КДБ 10(111) 10 Омсм
Скрытый слой Поверхностное сопротивление Глубина залегания перехода 30 Ом/с 0,3 мкм
Эпитаксиальный слой Удельное сопротивление Толщина слоя 0,3 - 0,8 Омсм 1,2 мкм
Казовая „область Поверхностное сопротивление Глубина залегания перехода 600 Ом/с 0,5 мкм
Эмиттерная . область Поверхностное сопротивление Глубина залегания перехода _ 30 Ом/о 0,25 мкм
Решение.
1. Определим поверхностную концентрацию примеси (акцептора) в базо-
вой области. Удельное сопротивление базовой области р = R, xj = 3-10 Ом-см и,
следовательно, по кривым Ирвина (см. рис.2.2) С6 = 4-10 см’3.
2. Определим поверхностную концентрацию примеси (донора) в эмиттер-
ной области. Удельное сопротивление эмиттерной области р = 7,5-10 Ом-см.
По кривым Ирвина поверхностная концентрация составит 1020 см .
3. Рассчитаем коэффициенты диффузии примеси вводимой в эмиттер
(например, фосфор) в кремнии и в оксиде кремния для заданной температуры:
3,66
DSi- 10,5 ехр---------т-----
\ 8,65-10^-1173
= 3,3-10-15 см2/с;
Dsio2 = 8,3-10 19 см2/с.
4. Рассчитаем продолжительность процесса эмиттерной диффузии по
заданным параметрам:
4-10'* = Ю20 ехр
(0,25-10~4)2 '
4-3,ЗЮ"5^,
, /эм= 8,3-lo’c.
5 Определим предельное значение концентрации примеси в оксиде кремния
на границе раздела фаз, не привод ящее к инверсии маскированной базовой области.
Допустим, в оксиде кремния на границе раздела фаз достигается концен-
трация Сао »1015, тогда с учетом коэффициента сегрегации фосфора в кремнии
2 16
вблизи границы раздела будет обеспечена концентрация 10 , а суммарное
количество примеси в кремнии на границе раздела составит СЕ = 4-10 - 10 =
= 3,99-1 О*8 см 3. Если полученное значение не удовлетворяет заданным требова-
ниям, значение СаОг надо уменьшить и вновь подсчитать суммарное количество
примеси.
Из приведенных рассуждений видно, что концентрация легирующей при
меси в оксиде, соответствующая началу инверсии маскированных областей
кремния, равна Cfjm^,.
6. Определим минимальную толщину оксида кремния. Зная характер рас-
пределения примеси в оксиде и пользуясь полученным значением продолжи-
тельности процесса, определим толщину (глубину), на которой обеспечивается
определенная на предыдущем этапе расчетов концентрация примеси
( >
15 20 X
10 = 10 erfc —. ------
V 2^8,3-10"198,3-103J
или х lnin= 5-10-3 мкм.
7. Для повышения надежности полученное значение следует увеличить в
несколько раз. Для рассчитанной величины определяем параметры процесса
окисления (продолжительность, температура).
Задачи
44. Какой толщины оксид кремния образуется при проведении раз-
гонки в процессе базовой диффузии в окислительной атмосфере? Тем-
пература процесса 1000 °C, продолжительность процесса 2 часа.
45. Можно ли использовать оксид , образовавшийся на поверхности
базовой области на второй стадии базовой диффузии, и потребуется ли
доокисление структуры, если использовать этот оксид в качестве маски
для последующей эмиттерной диффузии? (См. задачу 44, параметры для
активных областей взять в соответствии с табл. 5.2).
46. Какой толщины оксид необходим для проведения базовой
диффузии при формировании транзистора с параметрами, соответст-
вующими табл. 5.2?
47. Какой толщины оксид необходим для формирования скрытого
слоя (см. табл.5.2)?
48. Какой толщины оксид необходим для предотвращения инвер-
сии коллектора в процессе базовой диффузии (см. табл.5.2)?
49. Требуется ли доокисление коллекторных областей при форми-
ровании п'-областей под коллекторным контактом? Поверхностную концен-
трацию принять равной К)20 см3 = 0,2 мкм.
50. Как изменится концентрация и тип проводимости легирован-
ных областей под слоем SiO2 толщиной 1 мкм при проведении диффу-
зии при температуре 1250 °C в течение 8 часов:
а) если в структуру вводится бор, а маскированная область имеет
л-тип проводимости;
б) в структуру вводится мышьяк, маскированная область р-типа?
Для обоих случаев концентрацию в исходной подложке принять равной
Ю см 3.
51. На поверхности подложки К ДБ 10 сформирована пленка диок-
сида кремния, сильно легированная фосфором (т.е. ФСС) толщиной
°0 нм. Проводится термообработка структуры при Т - 1200 °C в тече-
ние 3 часов. Рассчитайте профиль распределения фосфора в структуре
1 - SiO2, определите глубину залегания перехода.
Решите задачу 51 для бора при использовании подложки КЭФ
’ и сравнить результат с полученным для фосфора.
53. На поверхности кремниевой подложки КДБ 10 имеется естест-
венный оксид толщиной 5 нм. Поверхностная концентрация примеси,
вводимой из бесконечного источника (фосфора), составляет Ю20 см
Температура процесса 1200 °C, продолжительность 3 часа. Рассчитайте
профиль распределения фосфора в структуре с учетом пленки оксида и
без нее. Сравните полученные результаты.
54. Подложка КЭФ 4,5 покрыта слоем естественного оксида тол-
щиной 5 нм. Пользуясь данными задачи 53, рассчитайте профили рас-
пределения бора в структуре как с учетом наличия естественного окси-
да, так и без него и сравните результаты.
Тема 6
Параметры процесса плазмохимического
травления
Процессы сухого травления, в том числе плазмохимического, как и
другие способы переноса изображения на нижележащие слои, можно
охарактеризовать следующими параметрами
• разрешением;
• степенью анизотропии;
• селективностью (избирательностью)
Разрешение, достигаемое в процессе плазмохимического травле-
ния (ПХТ), является критерием качества переноса рисунка, определяется
количеством различимых линий на единицу длины, воспроизводимых в
процессе, и определяется двумя параметрами. Первый из них - смеще-
ние, равное разности горизонтальных размеров рисунка травления,
полученного на пленке, и рисунка маски (рис.6.1), т е. разности задан-
ного и полученного размеров:
B = dM-dr. (6.1)
Второй параметр - допуск, который является мерой статистическо-
го распределения величины смещения и характеризует однородность
процесса травления.
а) б)
Рис.6.1. Определение смещения литографического
рисунка для топологических элементов типа "проме-
жуток" (а) и "линия" (6); I - маска; 2 - пленка;
3 - подложка
Степень анизотропии А можно определить как
А= I -
vb
(6.2)
где vr и vB - соответственно горизонтальная и вертикальная составляю-
щие скорости травления. Для выражения зависимости скорости процес-
са от кристаллографической ориентации или направления иногда ис-
пользуют коэффициент анизотропии Ка, который в отличие от степени
анизотропии определяют как отношение Кя = vB / vr или в общем виде
vx / vy и который связан со степенью анизотропии следующим соотно-
шением:
А.,--!-
Подставляя в уравнение (6.2) параметр В (6.1), получаем
И
А= 1-—,
2Л
(6.3)
где h - толщина пленки.
Процесс травления с нулевым смещением (В = 0) обеспечивает фор-
мирование вертикального профиля края топологического элемента, совпа-
дающего с краем маски (рис.6.2). При этом травление в горизонтальном
направлении (т.е. боковое подтравливание) не происходит (vr = 0) и рису-
нок переносится с идеальной точностью. Это соответствует случаю иде-
ально анизотропного травления, т.е. А = 1.
Если скорость травления не зависит от направления и скорости
травления в горизонтальном и вертикальном направлениях равны:
А= 1
vr = 0
а)
А=0
б)
Vr = vB, то в результате травления сфор-
мируется профиль края, имеющий кон-
-1 тур окружности (рис.6.2). Это соответст-
* вует идеально изотропному травлению,
при котором смещение В равно удвоен-
ной толщине пленки, подвергавшейся
травлению, и А = 0.
Рис.6.2. Профиль края топо-
логического элемента при
идеально анизотропном (а)
И идеально изотропном (б)
травлении
Любой реально получаемый профиль
края топологического элемента соответст-
вует ситуации промежуточной 0 < А < I и
характеризуется некоторой ненулевой сте-
пенью анизотропии.
Селективность (избирательность) травления определяется как от-
ношение скоростей травления различных материалов, что связано с ха-
рактерным ненулевым значением скорости травления для всех мате-
риалов, в том числе для материалов маски подложки, пленки,
подвергающейся травлению. Селективность травления по отношению
к материалу маски влияет на размер формируемых топологиче-
ских элементов. Селективность травления по отношению к материалу
подложки Sn или любым нижележащим под пленкой слоям определяет
качество и процент выхода годных изделий в процессе травления. Обе
эти величины (S„ и £п) зависят от однородности скоростей травления
пленки и маски, от однородности толщины пленки, степени перетрав-
ливания, профиля края элемента, анизотропии скорости травления мас-
ки и максимально допустимого ухода размеров элемента.
Если средняя толщина пленки составляет А, а степень однородно-
сти ее толщины определяется безразмерным параметром АЛ, то при
О < А* < 1 максимальная толщина пленки составит Л(] + Аа), а мини-
мальная будет равна й(1 - АЛ). Предположим, что скорость травления
определяется интервалом скоростей v(l ± Av), где v - среднее значение
скорости травления пленкй, a Av - безразмерный параметр, 0 < Av < 1.
Рассмотрим наихудшие результаты процесса травления - напри-
мер, минимальная скорость травления v(l - Av) реализуется на наиболее
толстых участках пленки А(1 + А*). Продолжительность процесса трав-
ления в этой ситуации должна определяться как
t= + А»)
v(l-Av)
и оказывается больше средней продолжительности процесса травления
на некоторую величину, называемую перетравливанием. В общем слу-
чае перетравливание означает продолжение процесса травления после
удаления Пленки на планарной поверхности. Обозначим А, продолжи-
тельность перетравливания, at- среднюю продолжительность процесса
травления. Тогда для наиболее толстых участков по сравнению со сред-
ней продолжительностью процесса потребуется
Г(1 + А,)
или
f=A
v (1-AV)
Рис.6.3. Смещение края тополо-
гического элемента в условиях
перетравливания
В течение этого времени на всех
остальных участках пленки (напри-
мер. наиболее тонких) происходит
растравливание и уход размеров то-
пологических элементов (рис.6.3).
Если максимальные скорости верти-
кального и горизонтального травле-
ния маски обозначить как (увм)и
(vrM) соответственно, то максималь-
ное смещение края топологического
элемента, связанное с постепенным
удалением маски, составит
у = [vBMctg(e)+vrM]<, (6.5)
где 6 - угол наклона края топологи-
ческого элемента маски (рис.6.3),
который определяется способом ли-
тографии и может изменен соответствующей обработкой. Так, для проек-
ционной литографии 6 = 60°, для контактной литографии 0 = 90° и т.д
Подставив в выражение (6.5) значения t, соответствующее уравне-
нию (6.4), получим
РЕ = 2/; Vbm <1 + А*)<1 + А/) Ctg(e) + I™ (6.6)
v (1-AV) L VBM.
Скорость травления маски в заданных наиболее худших условиях
определяется значением vBM, которое также может быть выражено с
помощью параметра однородности Дм, среднее значение скорости
травления маски при этом обозначим как vM.
Селективность травления по отношению к материалу маски 5М
определяется как соотношение средних скоростей травления пленки и
маски:
Учитывая, что в соответствии с уравнением (6.2)
^ = 1-Ам,
v
*вм
где Ам - степень анизотропии травления маски, перепишем уравнение
(6.6) В виде S„ = Ac„[ctg(e)+(i-A„>], (6.7)
где (1 +Ah)(l + At)(l +Дм) _ М (1-Av) (6.8)
фактор, учитывающий совпадение наихудших условий по отношению к
маске.
Селективность травления по отношению к материалу подложки
S* определяется аналогичным образом. Наихудшие условия соответст-
вуют расположению наиболее тонкой и наиболее быстро стравливаемой
части пленки над наиболее быстро стравливаемой областью подложки.
В общем случае селективность травления по отношению к материалу
подложки можно выразить как
Яп=^п. (6.9)
где hn - максимально допустимая глубина травления подложки; Un - фак-
тор, учитывающий совпадение наихудших условий и равный
U _ Ay(2 + Af + AfA^) + Ah(2 + Af) +At (6 10)
" i-a2v
Очевидно, что если бы толщина пленки и скорость ее травления
были абсолютно однородны (т.е. Д* = 0 и Л¥ = 0) и не требовалось бы
перетравливание структуры (А, = 0), то величина Sn потеряла бы смысл
(Sn = 0). Минимальное значение Sn соответствует идеально анизотроп-
ному травлению А = 1. Но такие идеальные условия в технологии СБИС
Реализуются редко. Даже при совпадении идеальных условий А = 1 при
проведении процесса травления на рельефной поверхности требуется
перетравливание (рис. 6.4), следовательно, нельзя пренебрегать величи-
ной Л’п.
а) б)
Рис. 6.4. Результаты травления ступенчатой структу-
ры (а) без перетравливания (б); 1 - верхняя пленка;
2 - нижняя пленка-ступенька; 3 - подложка
Примеры решения задач
Задача 6.1. Осуществляется полностью анизотропный процесс травления
пленки (А = 1). Однородность скорости травления и пленки и маски составляет
10 %, однородность пленки по толщине равна 5 %. Заданная степень перетрав-
ливания 20 %.
1. Определите уход размеров топологических элементов при травлении
пленки толщиной 1 мкм при условии, что скорости травления пленки и маски
соотносятся как 5:1. Маска травится изотропно. Использована проекционная
литография.
2. Задана точность воспроизведения геометрических размеров топологиче-
ских элементов, а именно уход размеров элементов не должен превышать
0,2 мкм. Какая селективность травления необходима для обеспечения такой
точности?
Решение.
Так как Av = 0,1; А, = 0,1; А, = 0,05 и задано Д, = 0,2, получим выражение
для селективности
5M=l,54[ctg(e)+(l-AM)]A. (бл1)
Графики зависимостей требуемой селективности представлены на рис.6.5.
Для случая изотропного травления маски А* = 0 и при использовании проекция
ной литографии это приведет к
= 2,43(Л / W). (6.12)
1 . Подставляем заданную селективность используемого состава для трав-
ления и толщтау пленки в выражение (6 12) и получаем для ухода размеров
элементов
IV = 0,972 мкм,
т.е. с каждой стороны уход размеров составит примерно 0,25 мкм.
2 Подставив в выражение (6.12)
значения И7 и толщины пленки 1 мкм,
получим
5Ы = 24.3.
Требуется подобрать состав ра-
бочей газовой смеси так, чтобы он
обеспечил полученное значение SM
Задача 6.2. При изготовлении
полевых транзисторов проводится
травление слоя поликремния толщи-
ной 0,3 мкм, покрывающего ступень-
ку изолирующего диоксида кремния
толщиной 0,6 мкм и подзатворного
Рис. 6.5. Зависимость селективности
травления пленки относительно мате-
риала маски от технологических условий
диэлектрика толщиной 0,05 мкм. Определите требуемую селективность процес-
са травления по отношению к материалу подложки при однородности толщины
пленки поликремния 5 % и однородности скорости травления 10 %. Необходи-
мая степень перетравливания в этих условиях составит 200 %
Решение.
В соответствии с полученной зависимостью (6.10) параметр
0,1(2 + 2 + 2 0.05) + 0,05(2 + 2) + 2
и, следовательно,
£П = 2,63(Л/ЛП). (6.13)
На рис.6.6 приведены графики
зависимости Sn от соотношения (Л / /;,,) для
заданных степеней перетравливания.
Допустимая глубина травления подложки
(или нижележащего слоя SiO2) в этих
условиях нс должна превышать 0,05 мкм,
так как удаление подзатворного диэлектри-
1 приведет к катастрофическому растрав-
шванию кремниевой подложки и невосста-
новимому ухудшению параметров
приборов.
Таким образом, в этом случае необхо-
ДИМа газовая смесь, которая обеспечивает
^ективностъ Sn = 15,78, т.е. в которой ско-
щГТь травления поликремния в 16 раз превы-
ет скорость травления диоксида кремния.
Рис. 6.6. Зависимость селек-
тивности травления пленки
относительно материала под-
ложки от технологических
условий
Задачи
55. Считая, что маска не подвергается эрозии, изобразите профиль
края элемента топологии, изотропно вытравленного в пленке толщиной Л,
нанесенной на не травящуюся подложку для случаев:
а) момента окончания травления;
б) 100 % перетравливания;
в) 200 % перетравливания.
Как изменяется профиль края при увеличении степени перетравли-
вания?
56 Дорожка поликремния толщиной 0,5 мкм проходит через сту-
пеньку изолирующего SiO2, высота которой 1,1 мкм, при толщине под-
затворного диэлектрика 0,05 мкм. Каково необходимое значение селек-
тивности травителя по отношению к маске SiO2 и к подзатворному
диэлектрику SiO2, если процесс травления осуществляется с 10%-ной
однородностью скорости травления, А = 1 и А = 0,5? Однородность
пленки поликремния по толщине составляет 5 %, однородность скоро-
сти травления маски 5 %, угол наклона края маски 60° Задана точность
выполнения геометрических размеров 0,2 мкм.
57. Решите задачу 56 в предположении полностью однородной по
толщине пленки поликремния А* = 0 и однородной скорости травления
Av = 0.
58. Энтальпия экзотермической реакции Si + 4F -> SiF4"T равна
370 ккал/моль при 25 °C. С какой скоростью выделяется тепло при
травлении со скоростью 1 мкм/мин единичной кремниевой пластины
диаметром 100 мм и толщиной 0,5 мм в плазме, обеспечивающей обра-
зование атомов F? Насколько нагревается пластина в результате травле-
ния на глубину 5 мкм, если она теплоизолирована?
59. Покажите, как связаны величина перетравливания и высота
рельефа на поверхности ступенчатой структуры.
60. Проанализируйте, как изменится требуемая селективность
травления по отношению к маске в рассмотренном примере 1, если за-
менить проекционную литографию на контактную.
61. Как замена проекционной литографии на контактную влияет на
величину Su? Обоснуйте ответ.
Тема 7
Изучение особенностей локальной
эпитаксии кремния
Улучшение характеристик создаваемых приборов, увеличение бы-
стродействия интегральных схем, повышение пробивных напряжений,
помехоустойчивости требуют совершенствования методов изоляции ак-
тивных элементов ИС.
Создать структуры с комбинированной изоляцией с минимальны-
ми размерами изолирующих областей, т.е. размер которых определяется
только необходимыми пробивными характеристиками возможно с ис-
пользованием процессов локальной эпитаксии кремния. Ширина облас-
ти изоляции между элементами может составлять 0.25 мкм независимо
от метода переноса изображения (рис.7.1)
Локальная эпитаксия кремния - процесс осаждения кремния из
газовой фазы, при котором комплексом технологических условий обес-
печивается ориентированный рост кремния только в местах, свободных
от маски, при полном подавлении зарождения зерен поликремния на
поверхности маски. Термин локальная означает управляемое проведе-
ние процесса по заданной топологии, например, за счет использования
маски, но наряду с этим в литературе
часто используется термин селектив-
ная, характеризующий процесс с точки
зрения энергетической неоднородно-
сти поверхности частично маскиро-
ванной структуры.
Впервые процесс локальной эпи-
таксии был осуществлен в 1962 г. и
привлек широкое внимание исследова-
телей, несмотря на целый ряд возник-
ших трудностей, среди которых были
прежде всего ограниченность зоны ло-
кального роста в сравнении с длинной
рабочей зоной реакционной камеры,
разрушение маски оксида кремния и,
Рис.7.1. Локальная эпитаксиаль-
ная структура с субмикронными
изолирующими областями для
схем большой и сверхбольшой
степени интеграции: 1 - подлож-
ка; 2 - изолирующий диэлектрик;
3 - локальный эпитаксиальный
слой
как следствие, уход геометрических размеров топологических элемен-
тов. На поверхности маски спонтанное зарождение поликремния остав-
ляло лишь узкую зону вокруг окон в маске, свободную от поликристал-
лов, что было названо "ленточным эффектом". Скорость роста в центре
окна существенно отличалась от скорости процесса на периферии, при-
водя к образованию так называемых "краевых эффектов" - гребней, при
наличии которых не могло быть и речи о последующих технологиче-
ских операциях фотолитографии. Все это означало, что для практиче-
ского использования процесса локальной эпитаксии в технологии ИС
необходимо было:
• обеспечить условия локального роста по всей длине рабочей
зоны реакционной камеры;
• добиться равномерности скорости роста локального автоэпитак-
сиального слоя (ЛЭС) кремния по пластине независимо от размеров
топологических элементов и от степени маскирования;
* Обеспечить равномерность скорости роста по окну в маске
диэлектрика, предотвращая образование "краевых эффектов", и добиться
улучшения морфологического и структурного совершенства локальных
слоев.
Основным фактором, позволяющим локализовать рост монокри-
сталлического кремния в местах, свободных от маски, является разница
в энергиях образования критического зародыша на поверхности крем-
ния и маски.
В предположении возникновения полусферического зародыша при
пересыщении в газовой фазе: р/ре, где ре - равновесное парциаль-
ное давление, энергия образования зародыша определяется как
A0=-4^ra),+S(r)o (71)
или
4 з Q I „ 2
AG =-----nr" -------------г (7.2)
3 U7’ln(p/Jpe)j
где K(r), S(r) - объем и площадь поверхности зародыша радиусом г ;
-21 3
£2 - объем атома кремния (2-10 см ): о - удельная поверхностная
энергия (табл.7.1).
Размеры критического :$ародыша соответствуют условию
Таблица 7.1
Значения удельной поверхностной энергии
Поверхность (111) (ИО) (115) (ЮО) SiO> Si3N4 А12О3
гт 1 2 о, Дж/см 1,23 1,51 1,66 2,13 4,0 4,3 6,0
дг
или началу самопроизвольного роста зародыша, и для данного случая
г* = 2<т----------- . (7.3)
[kT{n(pjpe J
Полученное выражение для радиуса критического зародыша мо-
жет быть преобразовано до величины п* - критического количества
атомов в зародыше.
Так, для нитрида кремния и для оксида кремния энергии образова-
ния кристаллических зародышей на два порядка превышают соответст-
вующую величин)' для поверхности кремния (0,032 эВ). Однако указан-
ные энергетические преимущества реализуются в условиях, близких к
равновесию, поэтому величин}' Д(5 - отклонения реального выхода
кремния от его выхода в равновесных условиях (см. уравнение (1.7)) -
было предложено использовать в качестве критерия возможности осу-
ществления локального роста.
По методам обеспечения необходимого пересыщения в газовой фа-
зе все известные разработки в этой области можно разделить на не-
сколько групп:
• к первой группе относятся работы, где заданное пресыщение
обеспечивается за счет поддержания в ПГС [SiCU + Н2] концентрации
тетрахлорида кремния менее 1 %:
• во второй группе в той же ПГС концентрация SiCl4 поддержива-
ется на уровне 10 %;
• следующая группа работ отличается от первых двух тем, что в
ПГС вводится контролируемое количество газообразного НС1;
• заданное пересыщение в газовой фазе может быть достигнуто и
Другими способами, например, снижением давления в реакционной сис-
теме или частичной заменой газа-носителя водорода инертным газом.
Независимо от того, какой кремнийсодержащий компонент введен
в исходную ПГС, все рассмотренные варианты не выходят за рамки
системы Si - Н - С1, и для заданного состава ПГС и данной температуры
термодинамически могут быть описаны единственным образом. Даже
при использовании SiHt вводимое в ПГС контролируемое количество
НС1 достаточно для того, чтобы соотношение Cl/Н оказалось более 0,02.
Зависимость скорости роста кремния от площади открытых участ-
ков на частично маскированной поверхности стала серьезным препятст-
вием на пути реализации планарных ЛЭС. Экспериментально установ-
лено, что скорость локального роста тем выше, чем меньше площадь
открытого кремния и наоборот. Кроме того, при одних и тех же разме-
рах окон в маске диэлектрика скорость роста изменяется с изменением
соотношения общей площади кремния и маски, т.е. с изменением степе-
ни маскирования. Некоторые исследователи объясняют происхождение
таких различий доставкой атомов кремния в окно, где происходит рост,
из газовой фазы непосредственно над окном и на расстоянии до ба от
окна, где а - радиус окна в маске. На основании этого, получены гра-
ничные значения степени маскирования, ниже которой описанная зави-
симость не сохраняется (табл.7.2).
Таблица 7.2
Граничные значения степени маскирования поверхности кремния
Геометрия маски Круглые окна в узлах треугольной сетки Круглые окна в уз- лах квад- ратной сетки Прямо- угольные окна, р = а/ Ь* Квадрат- ные окна, Р= 1 Парал- лельные полосы, р — ОО
Граничное значение *5siO2 *^Si 45 П 39 (30/р) + 6 36 6
* р = а / Ъ - соотношение длин сторон прямоугольника.
Зависимости скорости локального роста от толщины маскирующе-
го диэлектрика и степени маскирования поверхности подложки для раз-
личных пересыщений в газовой фазе свидетельствуют о том, что чем
меньше пересыщения (рис.7.2). тем меньше сказывается влияние маски
При использовании толстого маскирующего диэлектрика или при за-
полнении глубоких канавок необходимо помнить о непрерывном изме-
нении степени маскирования по мере проведения процесса (рис.7.3).
Рис. 7.2. Влияние степени маскирования структуры на скорость локаль-
ного роста: I - 1/р = 0,114, 2 - 1/р = 0,12; 3 - 1/р = 0,138; 4 - 1/р = 0,146
При этом определяющим параметром оказывается соотношение между
толщиной диэлектрика (или высотой вертикальных стенок окна) и раз-
мерами самого окна. Так, при незначительной толщине диэлектрика по
сравнению с размерами окна в процессе роста ЛЭС степень маскирова-
ния практически не изменится (рис.7 3, а). Если толщина стенок диэлек-
трика существенна по сравнению с размерами окон в маске, то при про-
ведении процесса локального роста степень маскирования Ss/SsiC)2
увеличится (рис.7.3, б). И наоборот если проводится заполнение глубо-
кой канавки (рис.7.3, в), степень маскирования по мере роста ЛЭС
постепенно уменьшится.
а) б) в)
Рис. 7.3 Структуры с различным соотношением
толщины маски dM и размеров немаскированной
области (окна) а - большое окно в тонкой маске
при dM <LO,6- маленькое окно в толстой маске при
б/ы > Со; в - узкая вертикальная канавка при dM < Lo
Очевидно, что для практического использования ЛЭС в качестве
активных областей ИС необходимо морфологическое и структурное
совершенство локальных слоев, близкое к совершенству сплошных эпи-
таксиальных слоев. И если структурное совершенство ЛЭС в центре
окна в маске не уступает, а порой и превосходит структурное совершен-
ство тотальных эпитаксиальных слоев, выращенных в тех же условиях,
то проблема качества локального слоя на границе кремния с маской
остается открытой. В этой области плотность дефектов упаковки дости-
гает порой 104 см 2, и на величину ее оказывает влияние ряд факторов:
• материал маски и метод ее формирования;
• конфигурация маски и ее размеры;
• кристаллографическая ориентация подложки и кристаллографи-
ческая ориентация краев топологических элементов маски;
• режим проведения процесса.
К материалу маскирующего диэлектрика предъявляется прежде
всего требование стабильности исходного состава, структуры и поверх-
ностных свойств диэлектрика как на стадии предэпитаксиальной термо-
обработки, так и при последующей локальной эпитаксии. Деструкция
материала маски вызывает загрязнение растущего слоя, вследствие чего
резко возрастает плотность дефектов кристаллической структуры на
границе ЛЭС и маски, и приводит к появлению на поверхности диэлек-
трика дополнительных центров зарождения поликремния, а также к
щелевому растравливанию структуры. В определенной степени ука-
занным выше требованиям удовлетворяют пленки SiO2, Si3N4, А12О3
(а также Mo, W, Ni). Наиболее простым способом маскирования в пла-
нарной технологии является термическое окисление, поэтому чаще всего
в качестве маскирующего диэлектрика используют аморфный SiO2.
Однако его применение сопряжено с возможностью разрушения маски
оксида кремния при высоких температурах процесса:
SiO2 + Si -> 2SiO
SiO2 + 2H2 -> Si + 2H2O (7.4)
SiO2 + H2 -> SiO + H2O
Необходимо помнить, что образующийся при термическом окис-
лении SiOA имеет х < 2 и далек от стехиометрического состава, а взаи-
модействие его с кремнием в процессе локальной эпитаксии еще более
снижает значение х. Преодолеть это затруднение позволяет использова-
ние более стабильных по отношению к кремнию и к агрессивной среде
материалов, например нитрида кремния, использование которого, однако.
Рис. 7.4. Плотность центров зарож-
дения поликремния на поверхности
маски81зМ4(/)и SiO2 (2)
не освобождает от ограничений, свя-
занных с возможностью зародышеоб-
разования на поверхности маски, гак
же как и при использовании других
маскирующих материалов. Нитрид
кремния обладает в сравнении с окси-
дом кремния более высокой темпера-
турной стабильностью в атмосфере
водорода (реакции (7.4) начинаются
уже при Т > 850 °C, а для нитрида
кремния предел Т » 1200 °C ). Плот-
ность центров зародышеобразования
на поверхности Si3N4 при этом ока-
зывается выше в 8 - 10 раз (рис.7.4),
а на границе Si3N4 - Si механические напряжения значительнее, чем на
границе SiO2 - Si. Известен целый ряд методов подавления зародыше-
образования на поверхности маскирующего диэлектрика.
Наряду' с основным фактором, обеспечивающим локализацию рос-
та в окнах, т.е. энергией образования зародыша на той или иной поверх-
ности, оказывается полезным знать степени заполнения поверхностей
маски и кремния основными компонентами газовой фазы, их распреде-
ление на границе раздела поверхностей "маска - окно".
В соответствии с моделью адсорбции Лэнгмюра константа адсорб-
ции к, и степень заполнения поверхности 6, /-компонентом определя-
ются как
ехр(Ео,ДГ)
n()v.y]2.nmjkT
N
l + HkjPj
7=1
где N - число рассматриваемых компонентов газовой фазы; i - номер
компонента. V- частота колебаний атомов, принятая равной 10*3 с
~ плотность адсорбционных центров, см к - постоянная Больцмана;
? ~ температура, К; р, - парциальное давление /-компонента, получен-
Ное> например, по результатам термодинамического анализа; т, - масса
'-компонента; Еа, - энергия активации адсорбции /-компонента, которая
определяется исходя из энергии возникающей химической связи Е„ и
энергии Ван-дер-Ваальса Ев, которую обычно принимают равной
8 ккал/моль, и энергии электростатического взаимодействия адсорбиро-
ванной частицы с поверхностью
го 1 f 2л (е*)2/-2
Е3 = 4,15-10 —+[-----V f‘dx,
r' ; s>x
где <?* = 0,3-e; e - заряд электрона; г, - размеры образующейся связи;
Xi - площадь, занимаемая одним атомом кремния.
Значения длины образующейся связи г„ энергии связи Е, и массы
частиц /я, приведены в табл.7.3, 7.4, величины энергий активации ад-
сорбции частиц Еа, = Ei + Е3 + Ег,- в табл.7.4.
Таблица 7.3
Справочные данные по возникающим связям
№ л/п Возникающая связь E„ ккал/моль О Г„ A
1 Si-Si 54 2,35
2 Si-H 76 2,01
3 Si-Cl 87 1,52
Таблица 7.4
Расчетные значения энергий активации адсорбции компонентов
газовой фазы на поверхности кремния
№ п/п Компонент Масса частицы, г Энергия активации адсорбции на поверхности кремния Еа , эВ
1 Н 1,6-10’" 3,2
2 Cl 5,88-10’" 3,8
3 Si 4,66-10 " 2,3
4 SiCl2 1,64-10’" 2,8
5 SiCL, 2,8-10’" 0,47
6 SiHCl3 2,24-10 " 0,52
7 HC1 6-10 " 0.43
8 H2 3,2-10 " 0,34
Плотность адсорбционных центров
на поверхностях кремния и масок
Таблица 7.5
Плотность адсорбцион- ных центров Поверхность Si ориентацией Поверхность идеального SiQ, Поверхность идеального Si3N4
(1П) (НО) (ЮО) (013)
Но/Ю14 7,8 9,58 6,78 4,28 14,6 П,5
Так как при температуре эпитаксии на поверхности кремния уста-
навливается периодичность, отвечающая симметрии плоскостей в объеме
кристалла, принимаем значения в соответствии с данными табл. 7.5.
Задачи
62. Пользуясь приведенными в табл.7.3 - 7.5 данными, рассчитайте
энергии активации адсорбции на поверхностях кремния, диоксида
кремния, нитрида кремния. Сравните полученные результаты с данны-
ми табл.7.4. Сравните полученные значения между собой и сделайте
выводы.
63. Рассчитайте энергии образования критического зародыша на
поверхности кремния и на поверхности маски SiO2, сравните получен-
ные значения. Сделайте выводы о возможностях кристаллизации на
этих поверхностях.
64. Рассчитайте значения энергии образования критического заро-
дыша на поверхность! нитрида кремния и оксида алюминия. Сравните
полученные значения с рассчитанными в задаче 63, между собой. Сде-
лайте выводы о перспективности той или иной маски.
65. Рассчитайте значения энергии образования критического заро-
дыша на поверхностях кремния различной кристаллографической ори-
ентации. Сравните полученные значения с энергией образования заро-
дыша на маске SiO2. Сделайте вывод.
66. В предположении образования тетраэдрического зародыша
рассчитайте значения энергий образования критического зародыша на
поверхностях кремния и маски SiO2. Сравните полученные значения с
рассчитанными ранее для модели сферического зародыша. Сделайте
выводы о наиболее вероятной конфигурации зародыша новой фазы.
67. Рассчитайте константы адсорбции и степени заполнения
поверхностей кремния и маски SiO2 основными компонентами газовой
фазы. Состав газовой (разы и условия примите в соответствии с табл. 1.2.
68. Оцените размеры критического зародыша на поверхности
кремния и маски SiO2, нитрида кремния и А12О3. Выберите наиболее
предпочтительный вариант. Аргументируйте ответ.
69. На поверхности подложки сформированы узкие глубокие
канавки. Ширина их 1 мкм. а глубина 10 мкм, шаг между соседними
канавками 3 мкм. Скорость локального роста 1 мкм/мин. Как по мере
роста локального слоя будет изменяться степень маскирования поверх-
ности?
70. Пересыщение в газовой фазе увеличивается от 10 до 10 . Как
изменятся размеры критического зародыша на поверхности кремния и
на поверхности маски SiO2? Предложите способ подавления кристалли-
зации поликремния на поверхности маски по полученным данным.
71. Как изменяются размеры критического зародыша (в мкм и в
количестве атомов, участвующих в образовании зародыша) при увели-
чении температуры процесса? Как добиться изменением температуры
процесса подавления роста поликремния на поверхности маски?
72. Покажите термодинамическую возможность протекания реак-
ций (7.4).
73. Пользуясь справочными данными о структуре А12О3. рассчи-
тайте плотность адсорбционных центров и0-
1
Тема 8
Расчет параметров процесса ионной
имплантации
В основе ионного легирования полупроводников лежит процесс
внедрения средне- и высокоэнергетичных ионов легирующих примесей
в кристаллическую решетку’ полупроводника подложки.
Ион, имеющий высокую кинетическую энергию, по мере продви-
жения в кристаллической решетке полупроводника взаимодействует
с атомами мишени подложки, растрачивая при этом свою энергию, пока
его скорость не снизится до тепловых скоростей диффузии. Профиль
распределения внедренных ионов по глубине называют профилем вне-
дрения или профилем торможения.
Траектория движения иона в кристаллической решетке подложки
оказывается сложной (рис.8.1) вследствие его взаимодействий и упру-
гих соударений с атомами кристаллической решетки. В результате
таких соударений возникает большое количество точечных дефектов
(вакансий, междоузлий), образующих кластеры с нарушенной структу-
рой (рис.8.2).
Для описания процесса ионной имплантации (внедрения) наряду
с полным пробегом R (см. рис.8.1) важны величины проекции полного
Поверхность
Поверхность мишени
Рис.8.1. Пробег внедренного иона
образца
Рис. 8.2. Образование областей с
нарушенной структурой
пробега на первоначальное направление внедрения иона Rp, соответст-
вующие средней глубине проникновения ионов, и среднеквадратиче-
ский разброс проецированных пробегов ERp, величина которых носит
вероятностный, статистический характер
Ион, имеющий большую массу по сравнению с атомами мишени,
на своем пути отклоняется слабо, и Rp~ R , тогда как для легкого иона
Rp«R.
Торможение заряженной частицы в твердом теле осуществляется
двумя механизмами:
• ядерным торможением при упругом взаимодействии с заряжен-
ными ядрами, экранированными электронными оболочками;
• электронным торможением при неупругом взаимодействии
с электронными оболочками.
Таким образом, потери энергии иона на единицу пути складывают-
ся из двух слагаемых:
dE (dE\ (dE\
——~ + -= . (8.1)
dR \dR)n \dR)e
Метод решения уравнения (8.1), предложенный Линхардом, Шарф-
фом и Шиоттом (сокращенно теория ЛИПП) в 1961-1963 гг., предпола-
гает введение для упрощения расчетов безразмерных величин пробега X
и энергии е
1 = С»Л; .
е = С£Е,
где CR, СЕ - коэффициенты,
сЕ-
^1^2(4 + ^2)
cr = c;toz2y М
здесь а - величина радиуса экранирования в соответствии с моделью
4,7 -10 9
атома Томаса-Ферми, а = . [см]; у - коэффициент
VZ2/3+Z2/3
передачи максимальной энергии при упругих столкновениях,
4 А-^2
(А +Л)2
С, - собственная концентрация атомов в полупровод-
никовой мишени ( 540 см ); Z, А - порядковые номера и атомные мас-
сы элементов; индекс 1 относится к внедряемому иону, индекс 2 - к ма-
териалу мишени-подложки.
Используя введенные безразмерные X и е, представим уравнение
(8.1) в виде
cIe f tfeA (с1е\
---= — + — . (8.2)
dk kdkJn \dkJe
Значения слагаемых этого уравнения могут быть аппроксимирова-
ны с точностью до 5 - 10 % выражениями:
- для адерной составляющей
г/е') се0,5
dk Jn d +е’
- для электронной составляющей,
<8.3)
(8.4)
где к - коэффициент торможения,
А-=0,0793
zfzf (я,+л2У/4
(z,2/3+z22/3)V4 А3/24/2 \
(8.5)
а значения коэффициентов с, d зависят от величины в
в соответствии с табл.8.1.
Общий вид кривых —
\dkJ
представлен на рис.8.3, из которо-
го следует, что при небольших
значениях е (соответствующих
знергиям порядка К) кэВ) преоб-
ладают упругие соударения с яд-
рами, тогда как при высоких
и принимаются
Таблица 8.1
Таблица значений коэффициентов
уравнения (8.3)
е С d
0,03-0,1 0,23 0,1
0,1 -7,5 0,46 о,з
7,5 -40 0,32 -2,45
-MdX
Рис. 8.3. Влияние величины энергии на
соотношение между составляющими
ее потерь
Таблица 8.2
Значения коэффициентов торможения и коэффициентов СЕ и CR
Ион (примесь; “в “N ,бО ‘А1 Яр ,sAs I21Sb
СА эВ 1 1,14’Ю4 7,36’105 3,4’10 5 2,7’10 5 2,1210’5 4,8’10~б 1,9’10 6
СЛ см 1 3,22’10s 3,22’10s 3,3’10s 3,05 10s 2,9’105 1,710s 1,07’10s
к 0,22 0,2 0,13 0,14 0,13 0,12 о,п
энергиях и больших значениях е преобладает электронная составляю-
щая. Значения, СЕ, CR и к приведены в табл. 8.2.
Аналитическое выражение для безразмерного пробега X может
быть получено в виде
, 2е“-5 2с Е“-5
<8‘6>
при этом значение полного пробега определится как
Ё = Л/СК.
С учетом поправочной функции /рассчитывают величину проеци-
рованного пробега,
RP=fR-
Поправочная функция / обусловлена наличием упругого рассеяни
Если представить, что ион с начальной энергией е, испытав и упругих
соударений с ядрами атомов, рассеивается на каждом из них на средний
угол <р, то на величину полного пробега величина /составит
cosip p - cos" ip)
л(1 - cosip)
Среднее число упругих соударений
л=е„ /г.
Потери энергии на упругие соударения составят
(8.7)
(8.8)
где
С , , Е
Е =—111 1 + т---г--- .
к (СА) +
Средняя потеря энергии на одно столкновение
1
т= -у.х.е,
1,144-п-С’/3
, е
arctg-------------г-,
1,144-а Ср
(8.9)
(8.10)
(8. II)
средний угол рассеяния иона в системе центра масс
0=2 arcsin д/%/3 ,
а средний угол рассеяния
sin0
Ф = arctg---_ -
COS0 + А] / А.2
Дисперсия проецированного пробега (или СКО) связана с диспер-
сией энергии, т.е.
д)<= |-л(Ле );
В ряде случаев для определения величины ЛА; можно использо-
вать соотношение
Rp*2,5ARp.
Профиль распределения (профиль торможения) ионов, внедренных
в подложку с концентрацией примесей Св, при неориентированном вне-
дрении ионов может быть описан гауссовой кривой:
С (х) = .— _ ехр
yl2n&Rp
±Q,
(8 12)
21 ,
где W - доза легирования, ион/см2.
Максимум концентрации внедренной примеси на глубине х = Rp
составит
„ 0AN
С1пах=-Л=^. (8.13)
^р
Приведенное решение уравнения (8.1) в соответствии с теорией
ЛШШ выполнено для аморфной мишени. В монокристаллической под-
ложке полупроводника вдоль кристаллографических направлений с ма-
лыми индексами ион может продвигаться практически без соударений
вдоль атомных рядов в более или менее широких каналах. При этом
глубина проникновения иона в кристаллическую решетку возрастет
до А
ПИХ (рис. 8.4),
'Чиах
к
Это явление называют каналированием
Наибольший угол, при котором исчезает направляющее действие
канала и ион покидает канал, называется критическим углом каналиро-
вания, величина которого определяется типом иона, его энергией.
С
Рис.8.4. Распределение внедренных
ионов без учета каналирования (/) и с
учетом каналирования (2, 3). 1 - пик
неканалированных Ионов; 2 - пик
"идеально" каналированных Ионов, 3 -
типичный профиль при каналировании
кристаллографической ориентацией подложки-мишени:
%р = ^27^/Щ,,
V р
где с/р - параметр кристаллической решетки; а - радиус экранирова-
ния.
Тепловые колебания атомов, появление дефектов кристаллической
структуры на пути иона в канале могут привести к деканалированию
(см. рис.8.4) или к преждевременному выходу иона из канала. Посколь-
ку с увеличением дозы имплантации возрастает и плотность внесенных
15 -2
радиационных нарушений, при дозах выше 10 см эффект каналиро-
вания исчезает.
Внесенные радиационные нарушения могут оказаться настолько
велики, что при некоторой дозе имплантации произойдет аморфизация
структуры. Различают значения дозы аморфизации поверхности ,
дозы аморфизации в области максимума концентрации внедренных ио-
нов и средней дозы аморфизации всего имплантированного слоя Na :
0 0,25/ё j(e+cZ)
0,605 fe d
а’-]
^Rp
v(e)
E
V=-----,
2Ed
а безразмерная величина соответствует пороговой энергии смещения
атома из его узлового положения Ed, которая для кремния составляет
£<7=22,4-10 19 Дж
Задачи
14. Рассчитайте полный проецированный пробег и СКО пробега иона
Р+ с энергией 40 кэВ Сравните результаты с величиной пробегов для
1 энергии того же иона 100 кэВ.
75. Рассчитайте профиль распределения внедренной примеси в со-
ответствии с условиями задачи 74 при дозе легирования 610 ' ион/см .
Исходная подложка КБД 10.
76. Рассчитайте дозу аморфизации кремния при внедрении иона
Р+ с энергиями 40 и 100 кэВ.
77. Рассчитайте полный и проецированный пробеги иона В+ с энер-
гиями 40 и 100 кэВ.
78. Рассчитайте профиль распределения В с энергией 40 кэВ при дозе
I 12 -2
имплантации 3-10 см в область коллектора будущего транзистора с кон-
in16 “3
центрациеи доноров Св = 10 см .
79. Рассчитайте дозу аморфизации поверхности подложки кремния
при имплантации бора с энергией 100 кэВ. Сравните с соответствую-
щим значением для внедрения бора с энергией 40 кэВ.
80. Рассчитайте значения энергии и дозы имплантации иона крем-
ния. необходимые для аморфизации слоя кремния толщиной 300 нм.
Сравните эти значения с соответствующими величинами для аморфиза-
ции структуры ионами аргона Аг+.
81. Рассчитайте критические углы каналирования ионов As и В
с энергией 100 кэВ в кремниевую подложку’ ориентацией (100)
82. Сравните значения критических углов каналирования ионов
As и В с энергией 100 кэВ в подложки разной ориентации: (100) и (111).
I
I
|
Тема 9
Расчет параметров нанесения металлических
пленок в вакууме
Методы получения тонких пленок
Основные методы получения тонких металлических, полупровод-
никовых и изолирующих пленок можно разделить на три группы:
• термическое испарение и конденсация в вакууме (напыление) с
косвенным подогревом и при помощи бомбардировки электронами;
• физическое (ионное) распыление;
• осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реак-
ций, восстановление в атмосфере водорода и термическое разложение.
Выбор того или иного метода получения пленок должен обеспечи-
вать выполнение общих требований, которые предъявляются к тонким
пленкам: равномерность толщины пленки; однородность ее структуры;
хорошая адгезия с подложкой и другими пленками, с которыми она
контактирует. Выбор метода зависит от природы осажденного материа-
ла, от материала подложки, от требуемой структуры пленки (аморфная,
поликристаллическая, монокристаллическая) и ее толщины.
Для получения металлических пленок наиболее распространенны-
ми являются методы вакуумного термического испарения и магнетрон-
ного распыления. Создание тонких металлических, полупроводниковых
и изолирующих пленок методом конденсации вещества в вакууме зани-
мает большое место в полупроводниковом приборостроении и микро-
электронике Металлические пленки применяются при изготовлении
омических контактов, нанесении электродных металлов при сплавле-
нии, создании контактов с барьером Шоттки, изготовлении коммути-
рующих элементов и резисторов в микросхемах.
Вакуумное термическое нанесение тонких пленок
Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на на-
греве в вакууме вещества до температуры испарения, образования пара
и конденсации его на подложке. Поток испарившихся частиц в вакууме
образуется, если давление пара испаряемого материала превышает дав-
ление в рабочей камере. Для нагрева используют электронный луч, ла-
зер, джоулево тепло высокочастотное поле. Большая часть металлов
при нагреве переходит в паровую фазу через жидкое состояние, т.е.
сначала они плавятся, а затем испаряются. Некоторые металлы (Cd, Zn,
Мп и в отдельных случаях чистый Сг) переходят из твердого состояния
в паровую фазу, минуя жидкую (сублимируют).
Зависимость давления паров от температуры в общем виде описы-
вается уравнением
1ёЛ = Л-В/Д (9.1)
где р, - давление насыщенного пара (упругость пара), Па; А и В - кон-
станты. характерные для данного вещества (табл 9.1).
Таблица 9.1
Температуры плавления п испарения некоторых элементов
Элемент Атомная MHCCU T °C T °C 1 усл» A* B*
Ag 107,9 961 1047 (11,40) 10,78 (14850) 14090
Al Tl 660 1150 11,11 . 15630
Au 197 1063 1465 10,77 18520
Bi 209 271 698 11,10 10660
Co 58,9 1490 1650 11,55 21960
Cr 52 1800 1205 (12,00) (17560)
Cu 63,5 1083 1273 10,84 16580
Mo** 95,9 2622 2533 (10,92) (30310)
Ni 58,7 1455 1510 (12,40) 11,67 (21840) 20600
Pd 106,4 1555 1566 10,58 19230
Pt 195 1774 2090 11,75 27500
Sb 121,8 630 678 10,54 ' 9910
Ta** 181 2996 3070 12.12 40210
Ti 47,9 1725 1546 (10,37) 11,10 (18640) 20110
W** 183,9 3382 3309 (11,36) (40260)
* Значения в скобках для твердого состояния
** Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом или распыле-
ние ионной бомбардировкой
Практика показывает, что процессы осаждения происходят с при-
емлемой для производства скоростью, если упругость пара вещества со-
ставляет примерно 1,3 Па. Температуру вещества, при которой ps = 1,3
Па, называют условной температурой испарения Тусл.
Скорость испарения
Поток пара из испарителя характеризуется пространственным рас-
пределением плотности N,t(a) (характеристикой испарителя). С ее
помощью при заданном расположении испарителя относительно под-
ложки можно рассчитать ожидаемое при конденсации распределение
толщины слоя.
При бестигельном испарении расплавленной капли источник пара -
точечный и М,(а) = const. Если испарение вещества происходит с плос-
кого элемента поверхности испарителя, плотность пара описывается
уравнением
^(a) = M,(0)cos(a). (9.2)
Рис.9.1. Схема напыли-
тельной камеры: I - рабо-
чая камера вакуумной
напылительной установки;
2 - резистивный плоский
испаритель; 3 - подложка,
4 - диаграмма направлен-
ности молекулярного пото-
ка испаряемого вещества
где N,t(a) - плотность потом в направлении, составляющем с нормалью к
поверхности испарителя угол а; М,(0) - его плотность при а = О°(рис. 9.1).
Испаритель, у которого поверхности испарения малы по сравне-
нию с расстоянием от этой поверхности до подложки, называется испа-
рителем с малой поверхностью. В первом приближении для него спра-
ведливо выражение (9.2). При больших размерах поверхности
испарения или если источники пара расположены по поверхности испа-
рителя, распределение плотности потока в пространстве рассчитывают,
суммируя характеристики отдельных испарителей с малой поверхно-
стью или элементов поверхности испарения.
Скорость испарения G (т е. количество вещества, испаряемого в 1 с
с 1 см поверхности испарителя) в направлении, нормальном к этой
поверхности (а = 0°), зависит от давления насыщенных паров и темпе-
ратуры испарителя и описывается уравнением Лэнгмюра:
-4 Л/ -2 -1
G = 4,3710 Р/?,. Г7~^ [гем -с ], (9.3)
V Р к
где р,- - давление насыщенных паров, Па; М„ - молекулярный вес испа-
ряемого вещества, г-моль ; Т„ - температура вещества, К; Р - безраз-
мерный коэффициент испарения, учитывающий изменение рабочей
площади испарителя в процессе испарения, покрытие поверхности
испаряемой навески непроницаемой оксидной пленкой, снижающей
скорости испарения, а также другие факторы (Р < 1).
При условной температуре испарения (p.t = 1,3 Па) скорость испа-
рения можно приближенно оценить из (9.3): J
__________________________________ ч
G«6-10"4p [гем 2 -с '] (9 4)
\ ^усл
Для скорости свободного испарения атомов металла с поверхности
расплавленной капли (т.е. со сферической поверхности) можно
записать
А'и(0) = 4,66 • 1024 /Р-± [ат. см 2 с1]. (9.5)
Конденсация на подложке
Поток молекул поступающих на подложку и конденсирую-
щихся на ней при фиксированных температурах испарителя и подложки,
может быть описан для случая идеального поверхностного источника в
соответствии с законом Ламберта-Кнудсена
оANU (а) ,.. , 2 1
М,(а) =----у—"Соз(ф) [см с ], (9.6)
где а - коэффициент аккомодации ("прилипания") атомов напыляемого
материала на поверхности конденсирующейся пленки: А - поверхность
2 ,
источника, см ; ф - угол между направлением пучка паров и нормалью к
поверхности подложки; £(1 - расстояние от испарителя до подложки по
нормали к ней, см (см. рис.9.1)
Коэффициент аккомодации ст может изменяться от 0 до 1 в зави-
симости от температуры, природы газа и свойств поверхности. Так, на-
пример, при нормальной температуре коэффициент аккомодации водо-
рода на гладкой (блестящей) поверхности платины ст = 0,323, на
платиновой черни ст = 0,583 .
Из выражения (9.6) следует, что скорость осаждения и соответст-
венно толщина конденсата на плоской подложке максимальна в центре
подложки и убывает к ее периферии. Несложно показать, что из выра-
жения (9.6) и рис.9.1 следует выражение, определяющее неравномер-
ность толщины конденсата:
= -!--------г, (9.7)
где (7ШШ nd- толщина пленки на краю и в центре подложки соответст-
венно; / - половина длины (или радиус) подложки; L(, - расстояние от
испарителя до подложки по нормали к ней.
Из выражения (9.7) следует, что равномерность толщины конден-
сата повышается с увеличением расстояния между' испарителем и
подложкой. В то же время, как видно из (9.6), скорость осаждения при
этом падает, так как плотность потока уменьшается. Прн -gin- = 0,98
«о
(разброс по толщине ±1 %) UL0 » 0,1. Это означает, что подложка диа-
метром 100 мм должна располагаться от испарителя на расстоянии не
менее 500 мм для обеспечения допустимого уровня разнотолщинности.
Технологическая среда (газ остаточной атмосферы) оказывает наи-
большее влияние на чистоту пленок непосредственно в процессе кон-
денсации паров вещества на подложке. Количество частиц остаточного
газа, захваченных покрытием в процессе его изготовления на
поверхности подложки единичной площади, складывается из числа час-
тиц Nt, адсорбированных на поверхности конденсации до момента на-
чала осаждения паров наносимого материала, а также из числа частиц
Л'2, бомбардирующих поверхность конденсации непосредственно во
время осаждения этих паров на подложке и внедрившихся в покрытие
за счет геттерного эффекта. Под геттерным эффектом здесь понимается
необратимый захват частиц остаточного газа материалом покрытия за
время его роста.
Для определения удельного потока молекул N?, падающих на под-
ложку в единицу времени, справедливо выражение
=4,66-1024-А - - [cm'V], (9.8)
Ж
где р, - давление (парциальное) данного газа, Па: Л/г - молекулярный вес
газа, г/моль; Тт - температура газа, К.
В этом случае соотношение потока молекул газа, падающих на
подложку, N2 и потока конденсирующихся молекул 7V,,(a) может быть
записано в виде
N2 Рг 1ми7'и п!% у9)
NH(a) Ps у МГТГ p<r/lcos(a)cos((|>)
или для случая, когда температура газа и испарителя неизменны во вре-
мени,
где к - константа, величина которой связана с положением данной точ-
ки на подложке.
Пример решения чадачи
Задача 9.1. Вычислите скорость испарения G золота при температуре
7« 673 К.
Решение.
По табл.9.1 определяем значения А и В и рассчитываем соответствующее
значение давления пара:
1g а = А - В/7' = 10,77 - 18520 / 1673 = -4),3.
откуда для золота при заданной температуре ps = 0,501 Па.
Тогда, если принять для случая испарения в вакууме благородного (инертного)
металла 0=1.
.4 I 197 —5 -•> -1
6 = 4,37-10 -0,501 J-- = 7.51-10 [г-см'с].
V1673
Задачи
83. Во сколько раз возрастет скорость испарения золота по сравне-
нию со случаем, рассмотренным в примере 9.1, если процесс вакуумно-
термического нанесения будет проводиться при температуре испарителя
т = Т
1 псп * усл*
84. Для случая вакуумно-термического нанесения тонких пленок
оцените минимальное допустимое расстояние между поверхностным
испарителем и подложкой диаметром 150 мм; разброс толщины напы-
ленной пленки по поверхности подложки не должен превышать ±1 %.
85. Для центральной и периферийной областей подложки диамет-
ром 150 мм оцените соотношение потока молекул остаточного газа, па-
дающих на подложку Aj, и потока конденсирующихся атомов Al N„(a)
при следующих условиях проведения процесса вакуумно-термического
нанесения тонкой пленки алюминия: давление остаточных газов
рг= 6,5-10 S Па; Мт = 29 г-моль 17} = 300 К; ТИ = Гусл для А1; £0 = 400 мм;
А = I см"; принять 0 = 0,95 и ст = 0,85.
86. Оцените, какова должна быть температура испарителя Т„
в процессе вакуумно-термического нанесения пленки А1 по условиям
предыдущей задачи, чтобы-----— «1 для периферийных областей под-
МД»)
ложки.
87. Каков должен быть предельный вакуум в процессе вакуумно-
термического нанесения пленки А1 по условиям задачи 85, чтобы
2V,
—-—— ~ 1 для периферийных областей подложки?
#„(«)
Тема 10
Изучение особенностей процесса
фотолитографии
Сущность фотолитографии и основные процессы
Литография - это процесс переноса геометрического рисунка
шаблона на поверхность пластины с помощью чувствительных к излу-
чению покрытий.
Процессы формирования изображений по принципу' обеспечения
локальности можно подразделить на безмасочные, осуществляемые без
использования трафаретов, но по определенной программе (например,
управление электронным, ионным или лазерным лучом), и масочные,
выполняемые с использованием специальных шаблонов.
По типу излучения литографию делят на оптическую (фотолито-
графию; (X = 200 : 450 нм), рентгеновскую (X = 0,4 : 1,5 нм), ионно-
тучевую (X = 0,05 : 1 нм) и электронную (X = 0,01 нм)
Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе
изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом (ФР)) и
бесконтактной (на микрозазоре и проекционной ФЛ).
Операции фотолитографии многократно (от 3 до 10 - 15 раз) по-
вторяются в процессе изготовления планарных приборов. На каждом
этапе фотолитографии изображение точно совмещается с полученными
ранее. Поскольку на фотошаблоне содержится более 10 тыс элементов,
минимальные размеры которых могут составлять 1 : 2 мкм, и что эле-
менты 10-12 шаблонов должны последовательно совмещаться с точ-
ностью не хуже 1 мкм, то требования, предъявляемые к точности пере-
дачи изображения во время фотолитографии в планарной технологии
довольно высоки.
В общем технологическом маршруте фотолитографии можно вы-
делить три основных этапа: формирование на поверхности материала
слоя фоторезиста, передача изображения с шаблона на этот слой: фор-
мирование конфигурации элементов устройств с помощью маски из фо-
торезиста.
1
Рис. 10.1. Схема переноса изображения при контактной
фотолитографии (а) и перераспределение шггенсивности
актиничного излучения на поверхности фоторезиста (б),
1 - поток актиничного излучения; 2 - фотошаблон; 3 -
рисунок в маскирующем слое фотошаблона;
4 — пленка фоторезиста; 5 — подложка. 1, II — зоны иде-
альной и фактической (например, с учетом дифракции)
передачи изображения
Схема переноса изображения при контактной фотолитографии
показана на рис. 10.1,а Одним из факторов, ограничивающих разре-
шающую способность, является дифракция актиничного излучения
при прохождении его через светлые участки (окна) в маскирующем
слое фотошаблона. Перераспределение интенсивности .1 актиничного
излучения на поверхности фоторезиста после прохождения через фо-
тошаблон с рисунком в виде периодической решетки с прозрачными
участками равной ширины b показана на рис. 10.1,6. При зазоре z между
шаблоном и подложкой в условиях освещения параллельным пучком
света минимальный размер (разрешение) Ь„11П:
6.пш== + (10.1)
где X - длина волны актиничного излучения; h - толщина слоя фоторе-
зиста.
Обычно фоторезисты чувствительны в области длин волн пример-
но 0,4 мкм. При толщине его слоя около 1 мкм и зазоре z - 0 (жесткий
контакт) минимальный размер переносимого элемента Л„Ш1~ 0,7 мкм.
Разрешающую способность можно увеличить, уменьшая толщину'
слоя фоторезиста и используя при экспонировании фоторезиста более
коротковолновое излучение. В реальных условиях зазор z значительно
отличается от нуля, что приводит к более сложной зависимости разре-
шающей способности. Так, на дифракционное перераспределение ин-
тенсивности излучения влияет размер и форма переносимого элемента.
Эффекты геометрической оптики
Основной фактор, ограничивающий разрешающую способность
контактной литографии, обусловлен расходимостью пучка актиничного
излучения в системе экспонирования и многократными его отражения-
ми от поверхности фотошаблона и слоя фоторезиста.
Изменение размера переносимого элемента при расходимости пуч-
ка актиничного излучения при экспонировании показано на рис. 10.2.
При наличии зазора z между фотошаблоном и подложкой наблю-
дается (по сравнению с фотошаблоном) увеличение светлых экспони-
руемых областей от исходного D до D\, пропорциональное углу расхо-
димости а пучка актиничного излучения и равное (для сравнительно
малых углов расходимости) 2 z-a. Применение специальных конденсор-
ных систем освещения позволяет строго контролировать угол расходи-
мости.
Пу'чок света, прошедший через окно в фотошаблоне под углом к
поверхности слоя фоторезиста, отличающимся от прямого, многократно
отражается в системе шаблон - слой фоторезиста (рис. 10.3), что вызы-
вает паразитное экспонирование дополнительной области и приводит к
изменению размеров элементов
Рис. 10.2. Изменение размера
переносимого элемента при
расходимости пучка актинич-
ного излучения в системе экс-
понирования при зазоре между
фотошаблоном и подложкой:
1 - поток актиничного излуче-
ния; 2 - фотошаблон; 3 -
пленка фоторезиста; 4 - под-
Рис. 10.3. Многократные отражения в
системе фотошаблон-фоторезист:
1 - расходящийся пучок актинично-
го излучения; 2 - область паразитной
засветки, 3 - фотошаблон; 4 - пленка
фоторезиста; 5 - подложка
ложка
Для уменьшения влияния этого явления на хромовый маскирую-
щий слой металлизированного фотошаблона наносят специальные
оптические низкоотражающие покрытия в виде пленок оксидов хрома,
имеющие соответствующую интерференционную окраску. Коэффици-
ент отражения используемого в качестве маскирующего покрытия фо-
тошаблонов слоя хрома для актиничного излучения с длиной волны
>, = 436 нм примерно равен 0,65 - 0,75, а низкоотражающих покрытий
("золотой" или "черный" хром) составляет 0,05 - 0,08. Это резко снижа-
ет паразитную засветку и увеличивает прецизионность при переносе
изображений.
Применение в качестве маскирующего слоя фотошаблонов пленки
оксида железа ("цветные" или транспарентные шаблоны) также повы-
шает разрешающую способность, так как ее коэффициент отражения
примерно равен 0,25 - 0,3.
Проекционная фотолитография
В стандартной проекционной системе, осуществляющей перенос
изображения, фокус объектива / является функцией диаметра его вход-
ного зрачка D (рис. 10.4). Числовая апертура объектива NA в среде с по-
казателем преломления и определяется как
NA = п sin(O) = DUf (10.2)
Разрешение />Ш1П объектива, определяемое для двух непрозрачных
объектов, которые едва различимы в диске Эйри, согласно критерию
Рэлея равно
/С А.
^min — . • U**.
NA
Параметр К может принимать значение >0,3 для резистов, форми-
рующих изображение в верхнем поверхностном слое, >0,5 для много-
слойных резистов и >1,1 для резистов на отражающей поверхности (на-
пример, на алюминии). Практическим разрешением считается
трехкратное значение разрешения, определенного по Рэлею, на длине
волны экспонирования X (рис. 10.4):
bmm= \,^1./NA.
(10.4)
Шаблон
Объектив
Пластина
Таким образом, разрешение
улучшается при использовании более
коротковолнового экспонирующего
излучения (дальний или вакуумный
ультрафиолет) и объектива с большей
числовой апертурой (за счет умень-
шений размера экспонируемого поля)
Однако с ростом NA глубина фокуса
DF также уменьшается (табл. 10.1), и
определение местоположения каждого
Рис. 10.4. Схема оптической кристалла при экспонировании требу-
системы ет дополнительного фокусирования:
DF=+X/2-(NA)2- (Ю.5)
Для объектива с числовой апертурой NA = 0,35 при экспонирова-
нии на длине волны 300 нм глубина фокуса DF составляет менее
1,5 мкм. В этом случае неплоскостность пластин, неровный топографи-
ческий рельеф, а также сама толщина резиста могут привести к невоз-
можности получения субмикронных структур. Для того, чтобы скрытое
изображение находилось в фокусе, используется метод формирования
Таблица 10.1
Значение числовой апертуры NA и глубины фокуса DF
при различных длинах волн излучения
Числовая апертура NA Глубина фокуса DF, мкм
X = 400 мкм X = 200 мкм
0,2 5,0 2,5
0,3 2,0 1,0
0,4 1,5 0,8
0,5 0,8 0,4
изображения в приповерхностном слое резистной пленки. Расфокуси-
ровка ведет к быстрому искажению изображения (особенно для близко
расположенных линий), а также к уменьшению интенсивности дифра-
гировавшего на рисунке фотошаблона света, что требует увеличения
времени экспозиции.
Задачи
88. Оцените, какова может быть максимально допустимая расхо-
димость пучка актиничного излучения в системе экспонирования при
проведении процесса контактной литографии при следующих условиях
(см. рис. 10.1). Зазор между фотошаблоном и подложкой z = 5 мкм; тол-
щина пленки фоторезиста h = 1 мкм; размер экспонируемого светло-
польного элемента фотошаблона 2 мкм; допустимое отклонение экспо-
нируемого изображения от номинального (т.е. размера элемента на
фотошаблоне) не должно превышать 10 %.
89. Каково относительное увеличение разрешающей способности ме-
тода проекционной литографии, если при проведении операции экспониро-
вания используется коротковолновое излучение в области дальнего (ваку-
умного) ультрафиолета (X = 200 нм) вместо излучения X = 436 нм для
случая NA = 0,2 и 0,5 соответственно?
Тема 11
Технология структур с комбинированной
изоляцией
До середины 70-х годов увеличение степени интеграции характе-
ризовалось устойчивыми равномерными темпами роста, а именно уд-
воением степени интеграции каждый год и увеличением ее на порядок
за 5 лет. С начала 80-х годов темпы роста степени интеграции снизи-
лись вдвое.
Наряду с чисто схемотехническими решениями увеличению степе-
ни интеграции и улучшению характеристик приборов способствует ми-
ниатюризация топологических решений за счет уменьшения ширины
линий и горизонтальных размеров элементов. При этом помимо совер-
шенствования литографических методов важным оказывается совер-
шенствование и развитие методов изоляции активных элементов ИС.
Изоляция активных элементов является фундаментальной пробле-
мой технологии схем большой и сверхбольшой интеграции. До середи-
ны 70-х годов повышение степени интеграции и быстродействия БИС
достигалось за счет таких методов межэлементной изоляции, как обрат-
носмещенный р-п переход или изоляция оксидом кремния. В этой об-
ласти большой успех достигнут за счет совершенствования литографи-
ческих процессов. В сочетании с новыми технологическими решениями,
а именно переходом к комбинированной изоляции элементов, к 1980 г.
был достигнут минимальный размер 1,5 мкм.
Использование методов самосовмещения и изоляции глубокими
канавками, имеющими вертикальные стенки и заполненными либо ок-
сидом кремния, либо поликремнием, позволяет, не изменяя методов ли-
тографии, уменьшить площадь транзисторов в 4 - 5 раз.
Технология "Изопланар”
Технология "Изопланар” использует в качестве вертикальной изо-
ляции толстый слой диоксида кремния. По сравнению с изоляцией
р-п перехода это позволяет не только уменьшить площадь транзисто-
ров, но и снизить паразитные емкости, уменьшить токи утечки и, следо-
вательно, улучшить частотные характеристики приборов.
В качестве исходного материала используют слаболегированные
подложки, например КБД 10, ориентированные по плоскости (111) либо
(100). После химической очистки и окисления поверхности подложки
по слою термического диоксида кремния проводят литографию. При
этом отказ от контактной литографии и переход к проекционной обо-
значил переход от технологии "Изопланар-Г' к "Изопланару-2". Далее
методами ионной имплантации во вскрытые окна внедряют ионы
мышьяка или сурьмы. Формируемый таким образом скрытый слой слу-
жит в качестве сильнолегированной и'-области коллектора, предназна-
ченной для уменьшения сопротивления коллектора.
Имплантированная примесь разгоняется в процессе последующей
термообработки, которую традиционно проводят в окислительной атмо-
сфере. Образовавшийся оксид на поверхности структуры удаляют, и по-
сле тщательной очистки поверхности выращивают эпитаксиальный
слой. Для "Изопланара-1" и "Изопланара-2 это слой p-типа проводимо-
сти, в последующих вариантах - и-типа проводимости, что сказывается
на конечных размерах приборов. По периметру скрытого слоя в процес-
се эпитаксии образуется ступенька, которая может быть использована в
качестве метки для последующих литографических процессов.
После эпитаксии и контроля параметров эпитаксиальных слоев
выращивают термический SiO2 толщиной 50 нм, на поверхность кото-
рого осаждают слой Si3N4 толщиной 100 нм (рис. 11.1,а). Скорость окис-
ления нитрида кремния низка, что позволяет использовать нитрид
кремния в качестве маски для последующего локального окисления. По
двухслойной маске проводят фотолитографию, вскрывают области
будущей диэлектрической изоляции и, используя в качестве маски
фоторезист, проводят последовательное травление слоев нитрида,
оксида кремния и эпитаксиального слоя до половины (или даже на 2/3)
его толщины (рис. 11.1,6). Применяемый метод травления (анизотропно-
го или изотропного) оказывает влияние на размеры будущей изоли-
рующей области. Заметим, что использование анизотропного травителя
предполагает наличие подложек ориентации (100).
На этом этапе непосредственно перед глубоким локальным окис-
лением проводят ионное внедрение бора в протравленные участки для
создания //-областей под изолирующим диэлектриком, что позволит
предотвратить инверсию слаболегированной подложки и возникновение
паразитных связей скрытых слоев соседних приборов
Si3N4
Рис. 11.1. Основные этапы формирования
структур по технологии "Изопланар": а - фор-
мирование скрытого слоя, эпитаксиального
слоя и маски нитрида кремния: б - литография
и травление кремния через маску SiiN4; в -
формирование изолирующих областей путем
глубокого локального окисления
Примеры решения задач
Задача 11.1. Покажите, почему в технологии "Изопланар" необходимо
травление эпитаксиального слоя на 1/2 его толщины.
Решение.
Определенное ранее соотношение между толщиной окисляемого кремния
и толщиной формируемого при этом оксида
-^-«0,47.
^SiO2
Для того, чтобы оксид не возвышался над уровнем исходной поверхности
подложки, должно соблюдаться условие h&,o2 = hx, следовательно, толщину
окисляемого кремния необходимо уменьшить примерно в два раза, а глубина
травления должна быть не менее 0,47 от толщины эпитаксиального слоя. При
h-if - 0,5Лэс после окисления будет сформирован диоксид толщиной
Ляо2= 2,12 0,5/i3c. что, с одной стороны, обеспечивает планарность структуры, а
с другой - окисление структуры до поверхности исходной подложки.
После удаления слоя фоторезиста структуру подвергают термиче-
скому окислению. Продолжительность процесса окисления определяет-
ся оставшейся толщиной эпитаксиального слоя, поскольку необходимо
окисление до исходной поверхности подложки (рис 11.1,в). После тер-
мического окисления слон нитрида кремния может быть удален, при
этом слой SiO2 удалять необязательно. Все перечисленные высокотем-
пературные операции протекают в течение длительного времени и
должны быть проведены до формирования активных областей прибо-
ров.
Правило 1 Длительные высокотемпературные операции проводят
по возможности до формирования активных областей приборов.
После удаления слоя Si3N4 проводят доокисление поверхности
структуры и литографию по слою SiO2 для последующего создания
диффузионных p-базовых областей. На этом этапе может быть проведе-
на ионная имплантация через оксид кремния, и тогда последующий от-
жиг для перераспределения внедренной примеси можно отложить н со-
вместить с последующим отжигом и+-коллекторНых и эмиттерных
областей. В качестве маски для формирования эмиттера методами диф-
фузии может быть использован диоксид кремния, возникший на по-
верхности в процессе отжига в кислородсодержащей атмосфере на вто-
рой стадия создания диффузионной базы. Для ионного внедрения
мышьяка или фосфора в п+-области в качестве маски может быть ис-
пользован фоторезист. По окончании ионного внедрения проводят от-
жиг структур в почти инертной атмосфере
После создаяйя активных областей транзистора на поверхности
структуры остается слой оксида кремнйя, который удаляют в растворе
плавиковой кислоты, и, очистив поверхность структуры, создают но-
вый, используя методы осаждения Помимо диоксида кремния, в каче-
стве такого пассивирующего слоя может быть использован слой нитрида
кремния, ФСС и пр В слое осажденного диэлектрика методами фотолито-
графии вскрывают KOMTascrtfeie окна к рабочим областям приборов.
На заключительном этапе формируют слой (йли слои) металлиза-
ции заданной ТбПологйй. В качестве металлизации может быть
использовай алюминий или более сложная структура, например,
контактный слой на основе сплава Pt - Si, а верхний слой - Ti - Pt - Au.
На этом этапе формируют контакты с барьерамй Шоттки. После фор-
мирования всех необходимых слоев Металлизации структура защищает-
ся более толстым слоем пассивирующего диэлектрика, например, слоем
плазмохимически осажденного нитрида кремния.
Отмеченные различия между двумя первыми вариантами техноло-
гии "Изопланар" не исчерпаны Так, в первом варианте эмиттерные об-
ласти формировались как вписанные в базу, тогда как во втором вари-
анте создавался пристеночный эмиттер, что почти в два раза уменьшило
площадь прибора. Усовершенствования коснулись и процесса локально-
го окисления, который в технологии "Изопланар-2" проводится в хлорсо-
держащей атмосфере, что позволяет улучшить качество диэлектрика.
Отказ от р-эпитаксиальных слоев в последних вариантах техноло-
гии "Изопланар", переход к «-эпитаксиальным структурам и формиро-
вание при этом диффузионной базовой области позволили уменьшить
ширину базовой области, повысить точность ее изготовления и улуч-
шить характеристики приборов.
Дальнейшее уменьшение площади транзисторов в этом технологи-
ческом процессе связано с переходом к анизотропному травлению,
к использованию процессов "сухого" травления для создания глубоких
канавок с вертикальными стенками, которые могут быть заполнены по-
сле окисления их поверхности, например, поликристаллическим крем-
нием. Размеры такой изолирующей области уже не будут связаны
с толщиной эпитаксиального слоя.
VIP-технология
Использование анизотропного травления при формировании эле-
ментов комбинированной изоляции позволяет реализовать изоляцию с
помощью Р'-образных канавок. Канавки такой формы (рис. 11.2) могут
быть сформированы травлением подложек ориентации (100).
Задача 11.2. Рассчитайте соотношение между' глубиной и шириной травления
И-образных канавок в анизотропном травителе.
Решение.
При травлении в анизотропном травителе, например смеси этилендиамин-
пирокатехин-вода, подложек с ориентацией (100) возникает огранка стенок ка-
навки плоскостями (111) или наиболее плотно упакованными гранями. Угол
между плоскостями (100) и (111) составляет примерно 55°. Таким образом, угол
0 = 35°, и для полученного равнобедренного треугольника
hx = a cos35° или (1/2 )L = hx /cos35°
Следовательно,
L = 2/73C/cos35°.
б)
Рис. 11.2. Взаимное расположение основных кристал-
лографических плоскостей (а) и форма I-образных
канавок (б)
Если поверхность сформированных канавок защитить последо-
вательно слоями SiO2, Si3N4. SiO2, то может быть сформирована на-
дежная изоляция между элементами (такая структура называется
VATE ). Недостатком этой структуры является наличие рельефа по-
верхности. что может привести к разрыву межсоединений. Заполне-
ние созданных (- -образных канавок поликремнием позволяет плана-
ризовать структуру. Такой метод носит название VIP-технологии.
В этом технологическом процессе на поверхности исходной p-Si
подложки с ориентацией (100) формируют области скрытых слоев и вы-
ращивают м-эпитаксиальный слой (рис. 11.3). На поверхности эпитакси-
ального слоя создают маску, например SiO2, в которой методами лито-
графии вскрывают окна и проводят диффузию базовой области (это
более высокотемпературный процесс, чем создание последующей изо-
ляции). Термообработка диффузионных слоев приводит к разгонке
примеси (бора) и формированию на поверхности структуры слоя SiO2
(рис. 11.3). В последующем процессе литографии в слое SiO2 вскрыва-
ются окна под будущие изолирующие канавки.
Анизотропное травление проводят, например, в травителе этилен-
диамин-пирокатехин-вода. Продолжительность травления определяется
толщиной эпитаксиального слоя, поскольку канавки должны достигнуть
исходной поверхности подложки. Наряду с жидкостными травителями в
зависимости от требуемых значений степени анизотропии и селектив-
ности травления могут быть предложены методы "сухого" травления с
соответствующим составом рабочей смеси.
Удалив маску SiO2, очищенную поверхность профилированной
структуры окисляют (50 нм), затем осаждают слой Si3N4 (100 нм) и по-
ликристаллический кремний из ПГС [SiH4 + Н2]. Избыток поликремния
на поверхности структуры удаляют сошлифовыванием или травлением
После чего поверхность очищают и подвергают термическому окисле-
нию либо осаждают слой SiO2 из газовой фазы. Данный диэлектрик
служит маской для последующих процессов формирования эмиттерных
и коллекторных и+-областей (рис. 11.3).
Задача 11.3. Сравните зависимости ширины изолирующей области L„ от
толщины эпитаксиального слоя hx при заданном размере окна
Lo для следующих методов формирования изолирующих областей:
1) разделительной диффузии;
2) глубокого окисления;
3) Г-образными канавками;
4) щелевой изоляцией с последующим окислением канавок;
5) щелевой изоляцией с заполнением канавок поликремнием.
Решение.
1. При формировании диффузионных разделительных областей диффузия
легирующей примеси происходит изотропно, т.е. как в глубь структуры, так и
под маску, и LH = Lo+ 2hx.
2. При глубоком окислении кремния проводят предварительное травление на
1/2 толщины эпитаксиального слоя, так чтобы глубина окисления при этом состави-
ла hx, тогда L„> Lp+ 2,12/1^.
п-эс
p-Si
Рис. 11.3. Основные этапы формирования структур по технологии
"Полипланар" (VTP): а - формирование скрытого и+-слоя и выращивание
и-эпитаксиального слоя; б - формирование диффузионных р-базовых
областей; в - анизотропное травление; г - термическое окисление и оса-
ждение пленки S1jN4; д - заполнение канавок поликремнием и удаление
его излишков; е - формирование активных областей транзисторов,
контактов и металлической разводки
Рис. 11.4. Зависимость ширины
изолирующих областей от способа
их формирования
3. Поскольку анизотропное
травление приводит к огранке стенок
канавки плоскостями (111), имеем
L„ = Lo + 2A:,cctg55o = Lo + 1,4/^.;
если канавка заполняется последова-
тельно нитридом кремния и поли-
кремнием, эта величина существенно
не изменится.
4. При формировании вертикаль-
ных узких канавок их ширина практи-
чески не отличается ст заданного раз-
мера окна. Однако при последующем
окислении узкой глубокой канавки до
полного заполнения ее оксидом ее
ширина удвоится: L„ = 2,12Д..
5. При заполнении канавки
последовательно нитридом кремния
с подслоем SiO2 и поликремнием ее ширина практически изменится лишь на
ширину подслоя SiOj, т.е. L„ = Lp + 50 нм или L„ » Lo.
На рис. 11.4 приведены полученные зависимости доя Lo = 1 мкм, которые
свидетельствуют о преимуществах последнего способа.
Задачи
90. Покажите, как толщина эпитаксиального слоя влияет на шири-
ну изолирующих областей в технологии "Изопланар".
91. Покажите, как изменение способа травления влияет на ширину
изолирующих областей.
92. Как способ заполнения канавок влияет на конечную ширин)
изолирующих областей: а) при заполнении канавок термическим окси-
дом, б) при осаждении диэлектрика; в) при сочетании термического
окисления и заполнения канавок поликремнием?
93. Определите необходимую селективность травителя и степень
анизотропии, предложите состав для травления, которое позволит
сформировать изолирующие области минимальной ширины: а) для
VIP-технологии; б) для технологии "Изопланар".
94. Покажите преимущества травления эпитаксиального слоя в
технологии "Изопланар" на 2/3 толщины эпитаксиального слоя по срав-
нению с травлением его на 1/2 перед локальным окислением.
95 Как изменится ширина И-образной канавки, если ее формиро-
вать на подложке ориентации (ПО)?
Тема 12
Технология структур с полной
диэлектрической изоляцией
Использование структур с полной диэлектрической изоляцией
позволяет избавиться от паразитных емкостей в структурах, токов утеч-
ки, предотвратить эффект "защелкивания" и возникновение паразитных
тиристоров. Одним из вариантов создания структур с полной диэлек-
трической изоляцией является ЭПИК-технология.
ЭПИК-процесс
На исходной подложке кремния и-типа проводимости с удельным
сопротивлением 0,25 • Ом см формируют -эпитаксиальный слой. Вме-
сто эпитаксии может быть проведена операция диффузии или ионной
имплантации. Созданный и4-слой окисляют и, используя пленку фото-
резиста в качестве маски, проводят литографию по слою SiO2 с после-
дующим травлением нижележащего п+-кремния на глубину 20 - 30 мкм.
После травления и удаления фоторезиста поверхность профилирован-
ной структуры окисляют. Толщина SiO2 не должна превышать 4 мкм,
что связано с различием в ТКЛР кремния и диоксида и возникновением
внутренних напряжений.
Далее на окисленную профилированную поверхность осаждают
поликристаллический кремний из парогазовой смеси [SiH4 + Н2] при
температуре 650 °C или [SiCU + Н2] при концентрации SiCl4 более 1,5 %
(рис.12.1). Толщина слоя поликремния составляет 300 мкм и более. Па-
раметры процесса осаждения оказывают существенное влияние на каче-
ство заполнения канавок, сформированных на поверхности. Для пре-
дотвращения образования пустот начальная скорость осаждения должна
быть невысока, а после тщательного заполнения канавок скорость оса-
ждения увеличивают и формируют поликремниевую подложку. Воз-
можно чередование слоев поликремния и SiO2, что позволяет снизить
емкость создаваемой подложки.
После создания поликремниевого слоя исходная монокристалличе-
ская подложка удаляется известными методами, например, шлифованием.
Рис. 12.1. Основные этапы ЭПИК-тех-
нологии: а - формирование nt-слоя и
термическое окисление; б - литография и
травление «-подложки; в - термическое
окисление; г - осаждение поликремния;
д - удаление монокристаллического крем-
ния подложки; е - маскирование; ж - фор-
мирование активных областей приборов,
металлизации и пассивирующего покры-
тия; 1 - исходная подложка n-Si;
2 — «+-эпитаксиальный слой; 3 - пленка
SiO2; 4 - поликремний; 5 - монокристал-
лический кремний (остатки подложки);
6 - p-базовые области; 7 - металлиза-
ция;?? - пассивирующий диэлектрик
травлением, химико-механическим полированием и (или) химико-
динамическим полированием вплоть до поликремниевых канавок.
После получения полированной поверхности проводят окисление и тра-
диционными методами диффузии и ионной имплантации формируют
активные области приборов в созданном изолированном кармане
(см.рис. 12.1).
Минимально возможная ширина изолирующих областей LK в этом
процессе определяется размерами окон
LK = а + 2kh ,
где а - минимальный линейный размер окна в маске SiO2; h - глубина
травления, которая в свою очередь зависит от требуемой глубины соз-
даваемого изолированного кармана Н\ обычно это соотношение состав-
ляет h = 2Н, к - коэффициент, зависящий от ориентации подложки, а
именно для (100) к = (0.0,1), для (111) к = (0 8 1,0), для (ПО)
к =(0,1 .0,2)
Существует модифицированный вариант ЭПИК-процесса
(рис. 12.2), в котором в качестве исходной структуры используется
и+-подложка. После создания профилированной поверхности и ее окис-
ления осаждают слой поликремния и удаляют исходную подложку.
Затем травление и4-слоя продолжают с обратной стороны структуры
внутри сформированных карманов через маску SiO2, оставляя толщину
«+-слоя равной 10-12 мкм. В вытравленных углублениях выращивают
«-локальные эпитаксиальные слои. После планаризации поверхности и
удаления поликремния, осадившегося на поверхности маски S1O2,
структуру окисляют и традиционными методами создают активные об-
ласти приборов.
Другой вариант модификации ЭПИК-технологии называют "пози-
тивным" процессом - по типу применяемой в нем литографии. Исход-
ная н+-подложка в этом процессе окисляется, и без формирования кана-
вок на поверхность окисленной подложки осаждают поликремний.
Слой исходного и+-кремния удаляют до толщины 8-10 мкм с помощью
методов шлифования, полирования, травления и выращивают слаболе-
гированный и - эпитаксиальный слой. Вновь проводят окисление струк-
туры и после литографии травление кремния до скрытого слоя SiO2
(рис. 12.3). Профилированную структуру окисляют и на ее поверхность
осаждают поликремний на всю глубину канавок. Удалив поликремний с
поверхности и—и+-карманов, поверхность окисляют и традиционными
методами создают активные области приборов.
Рис. 12.2. Основные этапы модифицированной ЭПИК-техноЛогии:
а - формирование изолированного кармана, локальное травление
кремния: б - локальная эпитаксия, удаление излишков с поверхности;
в - термическое окисление
Исходная пластина
Граница обработки
Рис. 12.3. "Позитивный" ЭПИК-процесс: а - частичное удаление монокри-
сталлического и+-кремния; б - травление через маску S1O2 до поверхности
скрытого диэлектрика; в - заполнение окисленных канавок
поликремнием и удаление его излишков с поверхности
Сочетание двух последних вариантов ЭПИК-технологии реализо-
вано в методе повторного нанесения поликремния. На «^-подложке вы-
ращивают л-эпитаксиальный слой и после окисления поверхности на
нее осаждают поликремний. Часть исходной подложки n+-Si удаляют,
сошлифовывая одновременно с л+-монокристаллическим кремнием и
часть поликремния для выравнивания подложки. Поверхность л -Si
окисляют и по слою SiO2 проводят литографию для последующего
травления монокристаллического кремния. Возникшие в процессе трав-
ления вертикальные стенки канавок окисляют и заполняют их поликри-
сталлическим кремнием, причем толщина этого слоя поликремния
должна быть значительно больше первого (до 300 мкм), тогда как пер-
вый слой поликремния сошлифовывают до толщины 1-2 мкм и при
последующем избирательном травлении остатки его удаляют. Это по-
зволяет предотвратить прогиб структуры, связанный с разницей ТКЛР
поликристаллического и монокристаллического кремния (рис. 12 4).
Рис.12.4. Метод повторного нанесения: а - структура после
первого нанесения поликремния; б - структура перед
заключительным шлифованием
Любой из приведенных процессов требует прецизионной механи-
ческой обработки, которая затруднена прогибом подложки. Другим не-
достатком ЭПИК-структур являются низкие частотные характеристики.
Существенно улучшить частотные характеристики и, следовательно,
быстродействие ИС, повысить радиационную стойкость ИС позволит
использование структур кремний-на-диэлектрике (КНД)
Структуры КНД
Исторически первые КНД-структуры были получены в виде гете-
роэпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС) в конце 60-х годов,
а к середине 70-х на их основе были созданы образцы ИС с высокой ра-
диационной стойкостью, хорошим быстродействием. Однако эти образ-
цы показали, что КНС-технология не решает всех проблем. Структуры
отличались дороговизной, на границе раздела Si - А12О3 плотность со-
стояний была чрезвычайно высокой, токи утечки также были весьма
значительными. Это определило поиск других способов формирования
структур КНД, причем не только с использованием объемного диэлек-
трика. каким являлся сапфир или аморфный кварц в графоэпитаксии, но
и тонких слоев оксида и нитрида кремния. Среди последних известны
следующие методы:
• метод рекристаллизации слоев поликристаллического или
аморфного кремния;
• метод окисления пористого кремния;
• метод горизонтального разращивания локальных эпитаксиаль-
ных слоев;
• метод глубокой имплантации ионов кислорода и (или) азота.
По мере развития этих методов появились новые идеи по усовер-
шенствованию ранее созданных технологий, в том числе и КНС.
Метод глубокой имплантации ионов
Метод глубокой имплантации ионов О+ и (или) N' предполагает
создание скрытого диэлектрика за счет внедрения ионов, например ки-
слорода. с высокими энергиями (выше 200 кэВ) в кремниевую подлож-
ку и последующий отжиг структур при высоких температурах (порядка
1’100 °C) (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Распределение внедренных ионов кислорода (а)
и характер структуры после термообработки (б)
Пример решения задач
Задача 12.1. Определите концентрацию внедряемого кислорода в макси-
муме кривой распределения, необходимую для образования стехиометрическо-
го SiO2 при последующей термообработке.
Решение.
Воспользуемся известными значениями плотности диоксида кремния
2,33 г/см3 и молекулярной массы М = 60. В каждом кубическом сантиметре име-
ется v молекул SiO2:
2,33
v =----------------,
60 1,66-10-24
а в каждой молекуле SiO2 - два атома кислорода, т.е.
Стах = 2v = 4,67-1022 СМ*3.
Для достижения такой концентрации в максимуме профиля внедрения ио-
нов при энергии Е = 200 кэВ в соответствии с уравнением (8.13) потребуется до-
за легирования
N= O^ax
что составит для заданной энергии примерно 1,6-10 см . Уменьшение энергии
пучка позволит снизить дозу легирования, но при этом диэлектрик будет сфор-
мирован слишком близко к поверхности структуры и не оставит на ней собст-
венно слоя кремния над диэлектриком.
Таблица 12.1
Зависимость величины пробегов от энергии внедряемых ионов
кислорода и азота
Энергия, кэВ Ион 16О+ Ион 1V
Ар, нм Д Ар, нм Ар, нм Д Ар,им
40 85 37 115 43
100 204 72 276 78
200 345 138 504 113
300 593 121 697 134
Увеличение энергии и дозы имплантации приведет, с одной сторо-
ны, к заглублению SiO2, а с другой стороны - к увеличению радиацион-
ных нарушений в слое кремния.
Характер распределения внедренных ионов (рис. 12.5,а) сказывает-
ся на виде формируемой структуры (рис. 12.5,6). Рядом со слоем сте-
хиометрического SiO2 возможно формирование слоев SiOx, где х < 2,
вплоть до SiO и поликристаллического кремния.
Горизонтальное разращивание локальных
эпитаксиальных слоев
Горизонтальное разращивание локальных эпитаксиальных слоев
кремния предполагает выращивание в традиционных эпитаксиальных
реакторах на первой стадии процесса локальных автоэпитаксиальных
слоев до планарности с поверхностью диэлектрической маски и после-
дующее ориентированное разращивание их по поверхности диэлектрика
в горизонтальном направлении. Достижение высоких значений соотно-
шения скоростей роста слоя в горизонтальном и вертикальном направ-
лениях vr/vB на второй стадии процесса (собственно разращивании)
позволяет сформировать протяженные КНД-структуры. Достигаемые в
настоящее время соотношения vr/vB не превышают 100:1, при этом
соотношение разращивания зависит от многих технологических факторов:
• толщины диэлектрической маски и степени маскирования по-
верхности структуры;
• кристаллографической ориентации пластин и ориентации краев
топологических элементов в маске;
• концентрации кремнийсодержащих компонентов в ПГС;
• давления в реакционной системе и температуры процесса;
• продолжительности процесса.
В начальный момент разращивания достигается максимальное со-
отношение vr/vB , которое с ростом продолжительности процесса
уменьшается до 1. Снижение давления в реакционной системе, умень-
шение концентрации тетрахлорида или дихлорсилана и снижение пре-
сыщения, увеличение температуры, уменьшение толщины диэлектриче-
ской маски и увеличение степени маскирования обуславливает рост
соотношения vr/vB .
Изменение соотношения vr/vB в течение процесса разращивания
приводит к тому, что по результатам измерения параметров структуры
выявляется лишь среднее значение этой величины. Наилучшие значения
vr/vB получены при использовании подложек (100) и ориентации краев
топологических элементов маски вдоль <100>. Использование маски
SiO2 обеспечивает значения vr/vB в 1,5 - 2 раза выше, чем использова-
ние маски нитрида кремния, однако при этом возникает опасность раз-
рушения маски SiO2 за счет взаимодействия с кремнием. Увеличение
степени маскирования до 50 % не влияет на величину vr/vB , и лишь
увеличение степени маскирования более 50 % позволяет увеличить
vr/vB . Максимальное значение vr/vB достигается при формировании
минимального количества окон в маске диэлектрика и с минимальными их
размерами. Однако при этом следует учесть, что вероятность разрушения
диэлектрической маски возрастает с уменьшением ее толщины, а степень
маскирования структуры в процессе разращивания локального эпитакси-
ального слоя по поверхности маски неизбежно уменьшается до 0 %.
Необходимая для большинства приборов толщина слоя КНД со-
ставляет 1 - 2 мкм. Если значение vr/vB ниже необходимого, то фор-
мируется более толстый слой КНД, чем требуется, что приводит к необ-
ходимости воспользоваться методами утонения структуры: послойного
полирующего травления или последовательного окисления и удаления
слоев SiO2 и т.п.
Метод окисления пористого кремния
Метод окисления пористого кремния предполагает последователь-
ное электрохимическое формирование пористого кремния и его терми-
ческое окисление. Для этого на поверхности «-кремниевой подложки
создают //-диффузионный слой, выращивают п -эпитаксиальный слой и
проводят //-разделительную диффузию до скрытого //-слоя, создавая
«-изолированные карманы. В процессе последующего анодного раство-
рения в (5 - 15)%-ном растворе HF участвуют лишь р+ -области, тогда
как
и-Si остается неизменным. Скорость окисления пористого кремния на
несколько порядков превышает скорость окисления монокристалличе-
ского «-кремния, таким образом, последующее термическое окисление
может быть проведено при достаточно низких температурах (напри-
мер, 500 °C).
Основной проблемой, помимо высоких механических напряжении в
структуре, является плохая воспроизводимость и сложности проведения кон-
троля образования SiCX под «-Si на дне изолированного кармана. Однако
этот метод отличает наилучшее кристаллическое совершенство слоев
монокристаллического кремния над диэлектриком.
Метод рекристаллизации аморфного или
поликристаллического кремния
Метод рекристаллизации аморфного или поликристаллического
кремния используется достаточно широко. Существуют способы рекри-
сталлизации предварительно осажденного аморфного или поликристал-
лического кремния с помощью его динамической обработки поверхно-
сти лазерным или когерентным излучением, электронным лучом или с
помощью графитовых полосковых нагревателей. Процессы рекристал-
лизации проводят как с использованием монокристаллического крем-
ниевого зародыша, так и без него. Использование монокристаллическо-
го зародыша позволяет предопределить будущую кристаллографиче-
скую ориентацию слоя КНД.
В кладом из перечисленных вариантов предполагается сканирова-
ние поверхности, например, лучом с локальным проплавлением крем-
ния и его перекристаллизацией. Особое внимание при этом уделяют
профилю температурных полей, поскольку градиент температур между
расплавленной зоной и подложкой приводит к значительным напряже-
ниям и, как следствие, к высокой плотности дефектов кристаллической
структуры. Наряду с генерацией сетки дислокаций происходит прогиб
пластин, их коробление.
Наилучшие результаты обеспечивает использование лазерного или
электронного луча, при этом улучшается кристаллическое совершенст-
во слоев, однако избавиться от наличия в слое малоугловых границ не
удается. При оптимизации топологии создаваемых приборов и схем
участки с повышенной плотностью дефектов используют для формиро-
вания внутреннего геттера.
Продолжительность обработки одной пластины лазерным лучом
диаметром 10 - 100 мкм при диаметре пластины 76 мм составит более
1()3 с. Использование электронного луча снижает продолжительность
процесса рекристаллизации. Но даже при проведении продолжительной
термообработки структур, имплантированных ионами кислорода, по-
следний метод оказывается в 16 раз быстрее, чем процессы рекристаллиза-
ции.
Задачи
96. Рассчитайте параметры процесса травления (селективность и
степень анизотропии), необходимые для создания ЭПИК-структур с
минимальными размерами изолирующей канавки. Сравните результаты
травления в изотропном и анизотропном травителях.
97. Рассчитайте минимально необходимую концентрацию ионов
азота в максимуме профиля внедрения иоиов для достижения стехио-
метрии нитрида кремния. Рассчитайте дозу имплантации для энергии
ионов 200 кэВ.
98. Рассчитайте дозу аморфизации структур при имплантации ио-
нов кислорода (азота) с энергией 200 кэВ. Сравните с необходимым
уровнем дозы, рассчитанным в задаче 2.
99. Рассчитайте коэффициенты Св, CR и коэффициенты торможе-
ния для ионов кислорода и азота в кремнии.
100. Рассчитайте пробеги (полный, проецированный) и средне-
квадратическое отклонение пробега для имплантации ионов О с энер-
гией 200 кэВ.
И +
101. Рассчитайте пробеги ионов азота N с энергией 300 кэВ.
102. Постройте профили распределения внедренных ионов кисло-
рода и азота с энергией 200 кэВ.
103. Сравните величины необходимой дозы для создания стехио-
метрического диэлектрика при имплантации кислорода и азота.
104. Рассчитайте значения vr, vB и соотношения vr/vB, необходи-
мые для формирования из единственного окна в центре подложки диа-
метром 100 мм слоя КНД. Толщина слоя не должна превышать 2 мкм.
105. Рассчитайте значение соотношения vr/vBH увдля формиро-
вания областей КНД протяженностью 1 мм.
106. Предложите способ утонения КНД-структур. Как изменится
необходимое значение vr/vB, если можно сформировать слой КНД
толщиной 10 мкм?
107. Проанализируйте зависимость vr/vB от толщины диэлектрика.
Предложите структуру диэлектрика и способ уменьшить его толщину.
108. Рассчитайте зависимость ширины изолирующей области в ме-
тоде окисления пористого кремния от толщины эпитаксиального слоя,
предполагая процесс анодного растворения изотропным.
109. Как проконтролировать образование скрытого SiO2 по всему
периметру и-кармана в методе окисления пористого кремния?
110. Один из методов усовершенствования КНС-технологии пред-
полагает аморфизацию выращенного кремниевого эпитаксиального
слоя имплантацией ионов кремния до аморфизации поверхности струк-
туры с последующим отжигом рекристаллизации, а затем до аморфиза-
ции на границе раздела Si - А12О3 также с последующей рекристаллиза-
цией Рассчитайте дозы аморфизации КНС-структуры толщиной 1 мкм
на поверхности и на границе раздела фаз.
111. Для улучшения качества рекристаллизованных структур КНД
после осаждения поликремния проводят имплантацию ионов Si+ до
аморфизации осажденного слоя. Рассчитайте энергию и дозу импланта-
ции Si+ для аморфизации слоя толщиной 0,1 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы
технологии микроэлектроники. - М.: Металлургия, 1979.
2. Зи С. Технология СБИС. В 2-х т. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.
3. Миллер Р., Кеймнис Т. Элементы интегральных схем. - М.:
Мир, 1989
4. Матына Л.И., Щербинин А. А., Чистяков Ю.Д. Методы изоля-
ции активных элементов ИС. - М.: МИЭТ, 1987.
5. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупро-
водниковых приборов и интегральных микросхем. 2-е изд. - М.: Выс-
шая школа, 1979. - 367 с.
6. Парфенов ОД. Технология микросхем. - М.: Высшая школа.
1986.-320 с.
7 Вакуумная техника: Справочник / Е.С.Фролов, В.Е.Минайчев,
А.Т.Александрова и др. Под общ. ред. Е.С.Фролова, В.Е.Минайчева. -
М.: Машиностроение, 1985 - 360 с.
8. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в ва-
кууме / А.И.Костржицкий, В.Ф.Карпов, М.П.Кабанченко и др. - М..
Машиностроение, 1991. - 176 с.
9. Кондратов А.В., Потапенко А.А. Термическое испарение в ва-
кууме при производстве изделий радиоэлектроники. - М.: Радио и связь.
1986. - 80 с.
10 Металлизация интегральных микросхем Уч пос./
Н.А.Асгг.ахова, И.Н.Брылов, Г.ПЖигалъский, В.В.Цгнатъев. - N
МИЭТ. 1990. - 84 с.
11. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Спра-
вочник. - М Рацио и связь, 1991
12. Технология полупроводниковых приборов и изделий микро-
электроники. Кн 8. Литографические процессы / В.В.Мартынов,
Т.Е.Базарова. - М.: Высшая школа, 1990.
13. Моро У. Микролитография: В 2-х ч. 4.1/ Пер с англ. - М.:
Мир, 1990.
Оглавление
Введение.............................................. 3
Тема 1. Параметры хлоридного процесса эпитаксии....... 5
Тема 2. Расчет технологических параметров процесса
диффузии........................................ 13
Диффузия в полубесконечное тело из бесконечного
источника................................-....... 14
Диффузия в полубесконечное тело из ограниченного
источника........................................ 16
Тема 3. Изучение автолегирования в процессе газофазной
эпитаксии кремния...................................... 24
Тема 4. Кинетика локального окисления кремния........... 34
Тема 5. Маскирующие свойства диоксида кремния.
Сегрегация примесей на границе раздела "кремний -
диоксид кремния"....................................... 39
Тема 6. Параметры процесса плазмохимического травления.. 45
Тема 7. Изучение особенностей локальной эпитаксии кремния 53
Тема 8. Расчет параметров процесса ионной имплантации.... 63
Тема 9. Расчет параметров нанесения металлических пленок
в вакууме.............................................. 71
Методы получения тонких пленок................... 71
Вакуумное термическое нанесение тонких пленок.. 71
Скорость испарения............................... 73
Конденсация на подложке.......................... 75
Тема 10. Изучение особенностей процесса фотолитографии.. 78
Сущность фотолитографии и основные процессы.... 78
Эффекты геометрической оптики.................... 80
Проекционная фотолитография...................... 82
Тема 11. Технология структур с комбинированной изоляцией. 84
Технология "Изопланар"........................ • 84
VIP-технология................................... 88
Тема 12. Технология структур с полной диэлектрической
изоляцией.............................................. 93
ЭПИК-процесс..................................... 93
Структуры КНД.................................... 99
Метод глубокой имплантации ионов................. 99