Электронные и микроэлектронные приборы

Электронные и микроэлектронные приборы

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

Реферат

Электронные и микроэлектронные приборы

Студента 2 курса заочного отделения ФАРЭ

1998г.

Задание.

Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде.

Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать их

сравнительную характеристику.

Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип

действия и область применения. Опешите принцип действия и устройство

тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов.

1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись

кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС.

Слои SiO2 используется как:

1. маска для диффузии легирующих примесей

2. для пассивации поверхности полупроводников

3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга

4. в качестве подзатворного диэлектрика

5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОП

элементов памяти

6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией

7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика,

следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния,

легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легко

воспроизводится и контролируется.

Термическое окисление кремния

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за

счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника

атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с

которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до

температуры T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или

влажный кислород. Схематично

вид установки показан на рис. 1.

[pic]

Рис. 1.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины,

соответствует одному из следующих уравнений:

окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O2 = SiO2

окисление в парах воды: Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2.

Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода,

поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокиси

кремния.

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет

диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального

объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физика

термического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простой

модели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2.

[pic]

Рис. 2.

Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы

окислителя диффундируют через все предварительно сформированные

слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе.

Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы

прямо пропорциональна парциальному давлению газа P:

C*=HP, где

C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения

давления P,

H - постоянный коэффициент Генри.

В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела

меньше, чем C*.

Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной

концентраций окислителя:

F1=h(C*-C0), где

C0 - поверхностная концентрация окислителя,

h - коэффициент переноса.

Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости

газового потока и растворимости окислителя в SiO2.

Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки

окислителя в объеме окисла (F2) и на его границе с кремнием (F3).

Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом

концентрации окислителя:

F2=-D(dC/dz)=D(C0-Ci)/z0, ( 1 )

где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр

при z = z0,

D - коэффициент диффузии при данной температуре,

z0 - толщина окисла.

Величина потока (F3) на границе окисла с полупроводником зависит от

постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:

F3=kCi ( 2 )

При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F.

Следовательно, приравняв соотношения ( 1 ) и ( 2 ), можно выразить

величины Ci и C0 через C*:

[pic]

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнение

потока на границе SiO2 - Si в следующей форме:

[pic]

(4)

Скорость роста окисла определяется потоком (F3) и количеством молекул

окислителя (Ni), необходимым для образования окисла в единичном объеме.

Поскольку концентрация молекул SiO2 в окисле равна 2,2*1022 см-3, то для

получения двуокиси кремния требуется концентрация молекул кислорода равная

2,2*1022 см-3 или концентрация молекул воды 4,4*1022 см-3.

Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом

[pic]

Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяется

постоянной скорости поверхностной реакции K и прямопропорциональна времени

окисления (8). Для больших времен окисления скорость роста зависит от

постоянной диффузии D (9), а толщина окисла пропорциональна корню

квадратному из времени процесса. Отметим, что наиболее часто используется

толщина окисла, составляющая десятые доли микрона, а верхний предел по

толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм.

Значительным достижением последнего времени явилось добавление в

окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это

привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП -

транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению

скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния

(обычно с концентрацией хлора 1016 - 1020 см-3) заключается в превращении

случайно проникших в SiO2 примесных ионов, например, натрия или калия в

электрически неактивные.

Плазмохимическое окисление кремния

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается

в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении в кислородную

плазму образцов. Образцы могут быть изолированными (плазменное

оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы

потенциалом (плазменное анодирование).

[pic]

На рисунке изображена принципиальная схема установки для

осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма

возбуждается в объеме 1 генератора плазмы.

Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения.

Тлеющий разряд на постоянном токе.

При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно

0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение

разряда Ud величиной внесколько сотен вольт.

Дуговой разряд низкого давления.

Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания.

Вследствие чеготермоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается

ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud

до величины менее 100 В

ВЧ разряд (радиочастотный разряд).

Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора,

связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом ( ВЧ

напряжение подается на пластины 2 и 3 ).

СВЧ разряд (микроволновый разряд).

Плазма возбуждается при поглощении СВЧ мощности генератора,

согласованного с объемом 1 с помощью волновода.

Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмы

потенциалом fа (потенциалом формовки), который подается на образец через

специальный контакт. При этом величина (а может быть отрицательной

относительно земли, поскольку равновесный потенциал плазмы отрицателен.

Внешняя поверхность оксида в результате взаимодействия с плазмой

приобретает "стеночный" потенциал fb,

как правило, отрицательный относительно потенциала невозмущенной плазмы (п.

Если образец изолирован от внешней электрической цепи (плазменное

оксидирование), то его поверхность приобретает "плавающий" потенциал (f.

Наличие анодного потенциала fа на образце вызывает протекание через него

анодного тока Ia (или тока формовки), который состоит из ионной

составляющей Ii, вызывающей рост оксида, и электронной составляющей Ie. Чем

больше доля ионного тока, тем эффективнее протекает рост плазменных

оксидов.

Свойства плазменных окислов кремния.

Кремний является наиболее хорошо исследованным материалом электронной

техники. Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластин

служит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлению

сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем (ССБИС ) возникает

необходимость в снижении температуры окислительных обработок с 1400 до

900...1100 К, при которых отсутствует неконтролируемая термодиффузия

примесей и другие побочные эффекты, стимулируемые высокой температурой. В

связи с этим внимание исследователей начинают привлекать процессы

плазменного анодирования и окисления кремния. В работах японских,

американских, французских и других исследователей получены пленки

плазменного диоксида кремния, по своим параметрам не уступающие лучшим

термическим образцам, а по электрической прочности и превосходящие их.

Плазменные оксиды кремния независимо от способа получения представляют

собой стехиометрический диоксид кремния SiO2. Их структура является

аморфной, а свойства приближаются к параметрам пленок SiO2, полученных

методом термического окисления кремния. Плазменные оксиды, будучи

сформированными при существенно более низких температурах, не обладают

дефектами упаковки, не создают механических напряжений на границах раздела

оксид - подложка и в ряде случаев имеют более совершенную структуру

границы. Термические пленки SiO2, сформированные при больших скоростях

окисления, содержат кластеры кремния размером 2...3 нм. В то же время

плазменные оксиды, сформированные даже при более высоких скоростях, не

имеют подобнных дефектов на границе раздела Si - SiO2, в них не наблюдается

также эффект перераспределения примеси при окислении.

Вольт-амперные характеристики оксидов туннельных толщин

характеризуются механизмом проводимости, соответствующим эмиссии Фаулера-

Нордгейма при напряженности электрического поля в оксиде свыше 6.5 МВ/см.

Измерения электрофизических свойств оксида, полученного плазменным

оксидированием кремния при одновременной подсветке поверхности лазером с

длинной волны, соответствующей возбуждению связи Si-Si показали, что оксид

обладает на два порядка меньшей плотностью поверхностных состояний, чем

традиционные анодные оксиды, и оответствует лучшим термическим пленкам

диоксида кремния.

Пиролитическое осаждение кремния из газовой фазы

В технологии интегральных схем применяются металлические и

диэлектрические пленки, изготавливаемые различными методами. Однако, в

связи с дальнейшей миниатюризацией СБИС и использованием различных

полупроводников в качестве подложек необходимо разработать новые методы

изготовления пленок с еще меньшей толщиной, плотностью дефектов и большей

однородностью. Требуется также максимально увеличить число пластин, которые

могут быть обработаны в единицу времени (для снижения стоимости продукции),

учесть возможные отрицательные последствия химических реакций между пленкой

и подложкой, разогрев пленки в процессе формирования, а также возможность

повреждений при облучении.

Рассмотрим пиролитический метод формирования пленок (метод химического

осаждения из газовой фазы). Метод химического осаждения из газовой фазы

основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при

формировании

пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих

материалов.

На рис. 1 в разрезе показана установка формирования пленок методом

химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении. На нагретом

пьедестале (подставке) горизонтально располагаются пластины. Сверху

поступает газ, в атмосфере которого протекают химические реакции.

Формирование пленки происходит при использовании химических реакций на

поверхности пластины. Для обеспечения равномерности толщины пленки, газ

равномерно подводится к поверхности пластин.

Температура по всей поверхности пластин должна поддерживаться одинаковой.

Поэтому установки необходимо снабжать устройствами для вращения подставки,

а также использовать системы подачи газа в соответствии с выбранной формой

пьедестала.

В качестве химически активного газа используют моносилан и кислород, а

в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются

и разогреваются). Внутри пьедестала имеется полость, предназначенная для

предотвращения рассеяния тепла во внешнее пространство и обеспечения

равномерности температуры на пьедестале, что приводит к улучшению

равномерности по толщине пленки. Однако, поскольку пластины не плотно

прилегают к пьедесталу, температура их поверхности неодинакова и

воспроизводимость результатов ухудшается. Кроме того, по мере увеличения

диаметра пластин их число в составе одной партии уменьшается, что

препятствует организации их массового производства и является существенным

недостатком данного метода.

Метод формирования пленок при нормальном давлении обладает и рядом

достоинств, к числу которых относится большая, чем для других методов,

скорость формирования пленок, отработка конструктивной части установки.

Данный метод может быть использован для формирования пленок при различных

условиях. Установки сравнительно компактны и отличаются низкой стоимостью.

Все это дает основание надеяться, что описанный метод будет применятся и в

дальнейшем при внесении некоторых усовершенствований.

Конструкция установки формирования пленок методом химического

осаждения из газовой фазы при низком давлении показана на рис. 2. В

последнее время главная роль отводится методу формирования пленок при

низком давлении. Печь, в которой протекают химические реакции, аналогична

диффузионной печи. Пластины в печи располагаются вертикально, расстояние

между ними в горизонтальном направлении может быть выбрано равным

нескольким миллиметрам. Результаты не зависят от диаметра пластин.

В одной обрабатываемой партии может быть 200 пластин. Длина свободного

пробега при низком давлении (обычно 65,5 - 13,3 Па) для молекул химически

активных газов в 1000 - 1500 раз больше, чем при нормальном (105 Па).

Вследствие высокой скорости диффузии химически активных газов распределение

концентрации газов в печи равномерно. Кроме того, при таком способе

разогрева пластин, как показано на рис. 2, температура на поверхности

каждой пластины и между пластинами распределяется равномерно, а

воспроизводимость результатов обработки весьма высокая.

Сочетание этого фактора с равномерностью распределения концентрации

химически активных газов приводит к тому, что и при увеличении числа

пластин в партии равномерность толщины пленки существенно повышается по

сравнению с использованием метода химического осаждения из газовой фазы при

нормальном давлении. Большое достоинство данного метода состоит также в

том, что при наличии на пластине ступенек, молекулы химически активных

газов обтекают эти неровности и пленка повторяет форму пластины.

Метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении широко

применяется преимущественно для получения пленок поликристаллического

кремния и нитридов кремния. При попытках использования этого метода для

формирования других пленок возникает ряд проблем. Так, в случае

формирования защитных пленок фосфорсиликатного стекла (применяющихся для

защиты поверхности ИС) приходится считаться с зависимостью диаметра пластин

от диаметра камеры, в которой производится обработка. Предпринимались

попытки оптимизации этой зависимости с целью достижения наилучшей

равномерности толщины пленок, но пока не удалось получить

удовлетворительных результатов для практических применений. Например,

для получения пленок, содержащих фосфор и мышьяк, в камеру наряду с

моносиланом необходимо вводить в малых количествах такие газы, как фосфин и

арсин, что приводит к существенному снижению скорости формирования пленок и

ухудшению равномерности пленки по толщине.

Когда к равномерности распределения концентрации химически активных

газов предъявляются жесткие требования, в конструкции установки,

изображенной на рис. 2, необходимо существенно улучшить геометрию камеры,

Страницы: 1, 2