Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Января 2013 в 17:17, шпаргалка
При газофазной эпитаксии атомы полупроводника переносятся к подложке в составе химического соединения. Для кремния это могут быть, например, тетрахлорид кремния SiCl4 или силан SiH4. Весь процесс можно разбить на ряд стадий: перенос реагентов к поверхности подложки; адсорбция и химическая реакция реагентов на поверхности подложки; десорбция продуктов реакции; перенос продуктов реакции от поверхности подложки.
Газофазная эпитаксия кремния к подложке в составе химического соединения. Для кремния это могут быть, например, тетрахлорид кремния SiCl4 или силан SiH4. Весь процесс можно раз- бить на ряд стадий:
перенос реагентов к и химическая реакция реагентов на поверхности подложки; десорбция продук- тов реакции; перенос продуктов реакции от поверхности подложки Среди наиболее распространенных методов формирования эпитаксиаль- ных слоев кремния основными являются два: хлоридный и силановый. В осно- ве хлоридного метода лежит химическая реакция восстановления кремния из тетрахлорида кремния SiCl4 водородом. Процесс осуществляют в горизонталь- ных или вертикальных реакторах в проточной системе. Взаимодействие тетра- хлорида кремния с водородом описывается химической реакцией SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl. В основе силанового метода лежит химическая реакция пиролиза (раз- ложения) силана: SiH4 → Si + 2H2. Из недостатков метода следует выделить большую чувствительность к качеству подложки и присутствию следов окислителя в атмосфере реактора Кроме этого, негативное влияние оказывают гомогенные реакции над поверхностью подложки, сопровождающиеся образованием зародышей кремния, вследствие чего частицы выделившегося кремния неэпитаксиально осаждаются на подложке, ухудшая
кристаллическую структуру го слоя. Поэтому очень важно выдерживать оптимальную температуру, чтобы максимально снизить влияние этого процесса. |
Факторы, влияющие на скорость роста пленок SiO2 Кроме температуры и окислительной среды на скорость роста слоя SiO2 влияет давление газа-окислителя. Повышение давления увеличивает концен- трацию молекул окислителя, растворенных в приповерхностном слое, тем са- мым увеличивается градиент концентрации молекул в слое SiO2, а значит, и скорость диффузии. Окисление при повышенном давлении водяного пара (ус- коренное гидротермальное окисление) позволяет получать оксидные пленки толщиной 2−3 мкм, что особенно важно при формировании изопланарных структур, приборов с зарядовой связью и так далее. Недостатком метода явля- ется необходимость использования герметичных и высокопрочных реакторов вместо технологичных проточных систем. На скорость роста слоя
SiO2 оказывает влияние ориентация кремниевой пластины. Окисление на пластине с ориентацией (111) происходит быстрее, чем с ориентацией (100). Влияние ориентации особенно заметно при относительно низких температурах. Так, например, при Т = 700 °С отличие в скорости окисления составляет 40 %, а при Т = 1200 °С всего 2 % . Большое влияние на скорость роста слоя SiO2 оказывает концентрация легирующей примеси в исходной пластине кремния. Это влияние обусловлено явлением сегрегации примеси на границе раздела SiO2 – Si. Для одних примесных атомов растворимость в Si выше, чем в SiO2, поэтому при термическом окислении растущий оксид оттесняет примесные атомы в глубь пластины кремния. В результате оксидный слой обедняется данными примесными атомами. |
Химическое осаждение слоев Существует несколько методов осаждения слоев SiO2, из них наибольшее распространение получили пиролиз кремнийорганических соединений (напри- мер, тетраэтоксилана Si(C2H4OH)4) и окисление силана SiH4. Si(C2H4OH)4 → SiО2 + СО2 + R , где R – органические радикалы, типа С2Н5, СН3 и другие. Процесс проводят при Т 700 − 750 °С. Скорость роста довольно высока, Обычно эту реакцию реализуют с помощью потока газа-носителя (Ar, N2, H2, Ar + O2), содержащего пары тетраэтоксилана. Пиролиз тетраэтоксилана при Т < 700 °С будет неполным Для улучшения качества слоев иногда процесс проводят не в открытой трубе в потоке газа-носителя, а в вакуумной системе,
наполненной после откачки Процесс безопасен, что отличает его от реакций с использованием окисления силана. В основе второго метода: окисление силана SiH4 лежит реакция SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O. Реакция проходит при температурах 250 − 400 °С. Данный метод по сравнению с другим обладает рядом преимуществ. Во-первых, получаются более чистые пленки без образования остатков органических соединений, углерода, карбида кремния и других. Во-вторых, процесс проходит при более низких температурах. В-третьих, окисление силана легко согласуется с эпитаксией кремния, то есть можно осуществлять процесс в одном реакторе, что очень важно при нанесении защитных покрытий на эпитаксиальные струк- туры. Недостаток метода – токсичность и пирофорность (самовосгораемость) силана. Поэтому реагенты вводят в реактор сильно разбавленными аргоном, что позволяет регулировать скорость роста оксидных слоев. |
Получение пленок нитрида кремния и оксида алюминия. Использование слоев из нитрида кремния имеет и свои недостатки, более высокую плотность заряда на границе раздела Si − Si3N4, чем в системе Si − SiO2. Есть сложности с травлением рельефа из Si3N4. Поэтому часто используют комбинации слоев типа SiO2 − Si3N4, или SiO2 − Si3N4 − SiO2. Получить слои из нитрида кремния можно в принципе методом прямого нитрирования поверхности кремния азотом, аммиаком или гидразином: 3Si + 2N2 → Si3N4, 3Si + 4NH3 → Si3N4 + 6H2, 3Si + 2N2H4 → Si3N4 + 4H2. Однако даже при температурах порядка 1300 °С скорость роста слоев Si3N4 очень мала (меньше 0,1 нм/мин). Поэтому методы прямого нитрирования в технологии применения не получили. Хорошие результаты получаются при использовании реакций 3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2, 3SiCl4 + 4NH3 → Si3N4 + 12HCl. Температура процессов 600 − 1100 °С. Скорость роста слоев Si3N4 получается на уровне 1 − 20 нм/мин. Слои получаются аморфные, с хорошей маскирующей способностью. Слои из Al2O3 используют в качестве изолирующих или защитных покрытий в МДП-структурах. Оксид алюминия обладает повышенной радиационной стойкостью, имеет высокие электрические характеристики, прежде всего высокую диэлектрическую проницаемость, что обеспечивает эффективное ис- пользование слоев из Al2O3 в элементах памяти. Он устойчив к дрейфу таких ионов, как Na и K, вызывающих нестабильность работы полевых МДП-транзисторов. Слои из оксида алюминия получают методом анодного окисления предварительно нанесенного на пластину тонкого слоя Al, методом реактивного распыления алюминиевой мишени в кислородной плазме, распылением под- ложки из сапфира электронным или лазерным лучом в вакууме, пиролизом алюм-орган-их соединений . | ||||||||
Факторы, влияющие на скорость диффузии: температура; тип примесных атомов и среда, в которой они диффундируют; наличие дефектов кристаллической решетки; концентрация вводимой примеси и кон- центрация примеси, уже имеющейся в пластине. С повышением температуры скорость диффузии возрастает,
поскольку увеличивается примесного атома из одного положения в другое, причем зависимость эта примерно экспоненциальная. Тип атомов :поскольку для разных атомов различны энергия активации диффузии и, может быть различен и сам механизм диффузии.примесные атомы, диффундирующие по вакансионному механизму, имеют значительно более низкий коэффициент диффузии, чем атомы, диффундирующие по междоузлиям. Влияние дефектов кристаллической структуры на скорость диффузии обусловлено тем, что дефекты создают вокруг себя механические напряжения, способствующие образованию вакансий. Это, в свою оче- редь, увеличивает скорость диффузии атомов, перемещающихся по вакансионному механизму. Влияние концентрации примесных атомов (вводимых в пластину или уже имеющихся в ней) обусловлено тем, что при высоких температурах практиче- ски все они находятся в ионизированном состоянии: доноры становятся поло- жительно заряженными ионами, акцепторы – отрицательно заряженными. Если, например, пластина была легирована донорами, а в нее вводятся акцепторы, то за счет дополнительного воздействия электрического поля доноров ионы-акцепторы будут диффундировать быстрее. Если же пластина была легирована донорами, а в нее вводятся снова доноры, то их скорость диффузии из-за электрического поля будет меньше. На скорость диффузии влияет и концентрация самой вводимой в пластину примеси, причем это влияние проявляется заметно лишь при условии, что концентрация вводимой примеси превышает собственную конц. |
Влияние плотности потока и температуры подложки на структуру и свойства осаждаемых пленок Третьей стадией процесса напыления тонких пленок является стадия кон- денсации атомов и молекул вещества на поверхности подложки. Эту стадию условно можно разбить на два этапа: начальный этап – от момента адсорбции первых атомов (молекул) на подложку до момента образования сплошного по- крытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный рост пленки до заданной толщины . структура полученной пленки определяется размерами зародышей, образовавшихся на начальном этапе конденсации. При высоких температурах подложки размеры критических зародышей больше и пленка по- лучается крупнозернистой. При низких температурах подложки пленка получа- ется мелкозернистой. На структуру пленки также влияет и плотность потока атомов. При увеличении плотности потока размеры критических зародышей уменьшаются, количество
центров зародышеобразования зультате пленка получается мелкозернистой. Уменьшение плотности потока приводит к увеличению зернистости пленки. При фиксированной плотности потока существует критическая температура подложки, выше которой пленка на поверхности подложки не образуется. И, наоборот, при фиксированной тем- пературе подложки существует критическая плотность потока атомов, ниже ко- торой пленка не образуется. |
Ионно-плазменные методы получения тонких пленок. Катодное распыление. Суть методов ионно- в обработке поверхности мишени из нужного вещества ионами и выбивании атомов (молекул) из мишени. Энергия ионов при этом составляет величину по- рядка сотен и тысяч электрон-вольт. Образующийся атомный поток направля- ется на подложку, где происходит конденсация вещества и формируется плен- ка. Различают ионно-лучевое распыление, осуществляемое бомбардировкой мишени пучком ускоренных ионов, сформированным в автономном ионном ис- точнике, и собственно ионно-плазменное распыление, при котором мишень яв- ляется одним из электродов в газоразрядной камере и ее бомбардировка осуще- ствляется ионами, образующимися в результате газового разряда. Конструкция установки для катодного распыления, состоит из газоразрядной камеры , в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 − 10 Па; катода , выполняющего функцию распыляемой мишени; анода и закрепленной на ней подложки . Между ано- дом и катодом подается постоянное напряжение величиной несколько кило- вольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространстве электриче- ского поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, а отрицательное напряжение к катоду подается через изолятор . Чтобы исключить загрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран .. |
Ионно-плазменные методы получения тонких пленок. Трехэлектродная система распыления Суть методов ионно- в обработке поверхности мишени из нужного вещества ионами и выбивании атомов (молекул) из мишени. Энергия ионов при этом составляет величину по- рядка сотен и тысяч электрон-вольт. Образующийся атомный поток направляется на подложку, где происходит конденсация вещества и формируется пленка. Различают ионно-лучевое распыление, осуществляемое бомбардировкой мишени пучком ускоренных ионов, сформированным в автономном ионном ис- точнике, и собственно ионно-плазменное распыление, при котором мишень яв- ляется одним из электродов в газоразрядной камере и ее бомбардировка осуще- ствляется ионами, образующимися в результате газового разряда. Для повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс ионно- плазменного распыления необходимо
проводить при как можно лении рабочего газа. Применяют трехэлек- тродную систему распыления, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень По достижении в камере вакуума порядка10 в -4 Па ,термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 − 1 Па. В результате термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся. При напряжении между тер- мокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом раз- ряде, и ускоряет их. В рез-те бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыл-ые атомы осаж-ся .наподложкенаподложке, формируя тонкую пленку. | ||||||||
Ионно-плазменные методы получения тонких пленок. Реактивн. и Высококач.расп-е. Суть методов ионно-плазменного напыления тонких пленок заключается в обработке поверхности мишени из нужного вещества ионами и выбивании атомов (молекул) из мишени. Энергия
ионов при этом составляет величину
порядка сотен и тысяч ка.Высококачеств. распыление Для распыления диэлектрической мишени необходимо между анодом и катодом-мишенью подавать переменное напряжение. В этом случае мишень поочередно будет ее распыление ионами, а при положительном потенциале –нейтрализация заря- да потоком электронов. Это в принципе позволяет распылять мишени из диэлектрических материалов, однако эффективность такого метода распыления будет невысокой. Эффективность распыления можно значительно повысить, если между анодом и катодом-мишенью подать переменное напряжение частотой порядка 10 МГц (обычно используют частоту 13,56 МГц, разрешенную для технологи- ческих установок, работающих в этом частотном диапазоне). При реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного ак- тивного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуется пленка из химического соединения, образованного атомами мишени и активно- го газа. |
Магнетронный метод получения тонких пленок. Один из возможных вариантов схем магнетронного распылителя состоит из мишени, одновременно являю щейся катодом распылительной системы; постоянного магнита, создающего магнитное поле, силовые линии которого параллельны поверхности мишени; кольцевого анода. Выше анода располагается подложка на которой формируется пленка из материала мишени. Отличительной особенностью магнетронного распылителя является наличие двух скре- щенных полей – электрического и магнитного. Под воздействием электрического поля электрон начнет двигаться к аноду. Действие магнитного поля на движущийся заряд приведет к возникновению силы Лоренца, направленной перпендикулярно скорости. Сум- марное действие этих сил приведет к тому, что в результате электрон будет
двигаться параллельно сложной замкнутой траектории, близкой к циклоиде. Важным здесь является то, что траектория движения замкнутая. Электрон будут двигаться по ней до тех пор, пока не произойдет несколько столкновений его с атомами рабочего газа, в результате которых произойдет их ионизация, а сам электрон, потеряв скорость, переместиться за счет диффузии к аноду. Та- ким образом, замкнутый характер траектории движения электрона резко увели- чивает вероятность его столкновения с атомами рабочего газа. Это означает, что газоразрядная плазма может образовываться при значительно более низких давлениях, чем в методе катодного распыления. Значит и пленки, полученные методом магнетронного распыления, будут более чистыми. |
||||||||||