Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике

УДК 621.382.049.077 (075.8)

ББК 32.844.1я73

З 38

 

Рецензенты: Федеральное космическое агентство, Федеральное государственное унитарное предприятие НПО «Автоматика» имени академика Н.А.Семихатова, технический директор, первый заместитель генерального директора, канд. техн. наук В.С.Уксусов;

кафедра общей и молекулярной физики Уральского государственного университета им. М. Горького, заведующий кафедрой, проф., д-р физ.-мат. наук С.Ф. Борисов;

заведующий кафедрой технологий и средств связи ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, профессор, д-р техн. наук В.Э. Иванов

Зацепин Д.А., Чолах С.О.

 

З 38 Физические основы технологий микро- и наноэлектроники: учебник / Д.А.Зацепин, С.О.Чолах. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 236 с.

 

ISBN 5-321-00974-0

ISBN 978-5-321-00974-1

 

В книге изложены основные направления развития микро- и наноэлектроники: рассмотрены физические основы функционирования интегральных микросхем (ИС) и их структурных элементов, приведены конструктивно-технологические варианты исполнения ИС, проанализированы физические особенности отечественных и зарубежных промышленных технологических процессов формирования топологии полупроводниковых радиоэлектронных устройств. Описаны конструкции перспективных структурных элементов микро- и наноэлектроники, а также методы их изготовления.

Учебник предназначен для студентов специальности 210101 – Физическая электроника направления подготовки дипломированных специалистов 654100 – Электроника и микроэлектроника, аспирантов и научных работников.

 

Библиогр.: 36 назв. Рис.136. Табл.12.

 

Подготовлено кафедрой электрофизики ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и лабораторией рентгеновской спектроскопии Института физики металлов УрО РАН.

УДК 621.382.049.077 (075.8)

ББК 32.844.1я73

 

ISBN 5-321-00974-0 ISBN 978-5-321-00974-1

Ó ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2006 Ó Зацепин Д.А., Чолах С.О., 2006

 

Оглавление

	Предисловие...........................................
	Введение..............................................
	ЧАСТЬ 1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА........................
Глава 1.	Общая характеристика микроэлектроники. Принципы функционирования элементов.............................
1.1.	Основные определения..................................
1.2.	Классификация изделий микроэлектроники.................
1.3.	Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике.....................................
1.4.	Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ИС).................................
1.5.	Контактные явления в микроэлектронных структурах.........
1.6.	Поверхностные явления в полупроводниках................
1.7.	Механизмы переноса носителей заряда.....................
Глава 2.	Базовые физико-химические методы создания микроэлектронных структур...........................
2.1.	Очистка поверхности пластин для ИС......................
2.2.	Получение полупроводниковых монокристаллов методом вытягивания из расплава................................
2.3.	Термическое окисление.................................
2.4.	Эпитаксия............................................
2.5.	Фотолитография........................................
2.6.	Диффузия.............................................
2.7.	Ионная имплантация (ионное легирование).................
2.8.	Металлизация..........................................
Глава 3.	Типы подложек интегральных схем, их основные характеристики и процессы изготовления подложек.......
3.1.	Изготовление подложек ИС..............................
3.2.	Резка слитков и пластин.................................
3.3.	Оптический метод ориентации полупроводниковых пластин...
3.4.	Шлифовка и полировка пластин..........................
3.5.	Строение нарушенного слоя после механической обработки пластины.............................................
Глава 4.	Технология химической обработки подложек для интегральных микросхем..............................
4.1.	Механизм химической обработки кремниевых пластин.......
4.2.	Термохимическое (газовое) травление.....................
4.3.	Ионно-плазменное травление.............................
Глава 5.	Диэлектрические пленки в ИС. Методы их получения. Технологии изготовления гибридных ИС................
5.1.	Конструктивно-технологические функции диэлектрических плёнок................................................
5.2.	Формирование плёнок SiO2 термическим окислением кремния
5.3.	Методы получения диэлектрических пленок в технологии гибридных ИС.........................................
5.3.1.	Термовакуумное реактивное испарение.....................
5.3.2.	Анодное окисление.....................................
5.3.3.	Ионно-плазменное окисление............................
5.3.4.	Ионно-плазменное распыление...........................
Глава 6.	Ионное легирование полупроводников..................
6.1.	Общие принципы процесса ионного легирования............
6.2.	Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв.............
6.3.	Импульсный лазерный отжиг.............................
6.4.	Маскирование в процессах ионного легирования............
6.5.	Маскирование фоторезистами............................
6.6.	Маскирование пленками металлов.........................
Глава 7.	Элионные методы литографических процессов............
7.1.	Электронно-лучевая литография..........................
7.2.	Рентгенолучевая литография (РЛЛ)........................
7.2.1.	Особенности экспонирования в РЛЛ......................
7.2.2.	Технология рентгенолитографических процессов............
7.2.3.	Выбор резистов для РЛЛ................................
Глава 8.	Пленки в технологии ИС, микросборок и коммутационных элементов............................................
8.1.	Металлические пленки для ИС............................
8.2.	Технология коммутационных элементов ИС................
8.3.	Технология пленочных резисторов........................
8.4.	Чистый металл и сплавы.................................
8.5.	Керметы (микрокомпозиционные пленки)...................
8.6.	Изготовление тонкопленочных конденсаторов..............
8.7.	Монооксид кремния SiO.................................
8.8.	Пятиокись тантала Та2О5 ................................
8.9.	Оксид алюминия Al2O3 и диоксид кремния SiО2 ..............
8.10.	Диоксид титана ТiО2...................................
Глава 9.	Монтаж кристаллов ИС на носителях. Типы носителей. Особенности сборки ИС в корпуса.......................
9.1.	Конструктивно-технологические варианты монтажа.........
9.2.	Изготовление ленточных носителей.......................
9.3.	Получение внутренних выводов на кристаллах ИС...........
9.4.	Монтаж кристалла ИС на гибкую ленту....................
9.5.	Монтаж гибридных ИС и микросборок.....................
9.6.	Особенности сборки сверхбыстродействующих ИС и процессоров...........................................
Глава 10.	Технология герметизации ИС и МП.....................
10.1.	Пассивирующие и защитные покрытия ИС.................
10.2.	Принципы герметизации ИС в корпусах....................
10.3.	Герметизация ИС в металлических корпусах................
	ЧАСТЬ 2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА......................
Глава 11.	Теоретические основы наноэлектроники. Одноэлектронные приборы..............................................
11.1.	Проблемы наноэлектроники (одноэлектроники)..............
11.2.	Базовая теория кулоновской блокады......................
11.3.	″Кулоновская лестница″.................................
11.4.	Со – туннелирование....................................
11.5.	Квантовые размерные эффекты............................
11.6.	Классификация одноэлектронных приборов.................
11.7.	Одноэлектронный прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа.................................
11.8.	Субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор (транзистор Остина).....................................
11.9.	Применение одноэлектронных приборов....................
Глава 12.	Наночастицы и нанокластеры...........................
12.1.	Свойства наночастиц и их характеристики...................
12.2.	Теоретическое моделирование наночастиц (модель ″желе″)....
12.3.	Геометрическая и электронная структуры нанокластеров......
12.4.	Реакционная способность наночастиц......................
12.5.	Флуктуационные наноструктуры...........................
12.6.	Магнитные кластеры....................................
12.7.	Переход от макро- к нано-...............................
12.8.	Полупроводниковые наночастицы........................
12.9.	Кулоновский взрыв.....................................
12.10.	Молекулярные кластеры................................
12.11.	Методы синтеза наночастиц..............................
12.12.	Химические методы синтеза наночастиц....................
12.13.	Термолиз..............................................
12.14.	Импульсные лазерные методы............................
Глава 13.	Углеродные наноструктуры............................
13.1.	Природа углеродной связи...............................
13.2.	Малые углеродные кластеры – С60 .........................
13.3.	Неуглеродная шарообразная молекула.....................
13.4.	Углеродные нанотрубки.................................
13.4.1.	Методы получения нанотрубок...........................
13.4.2.	Электрические свойства нанотрубок......................
13.4.3.	Колебательные свойства нанотрубок.......................
13.4.4.	Механические свойства нанотрубок.......................
13.5.	Применение углеродных нанотрубок......................
13.5.1.	Полевая эмиссия и экранирование.........................
13.5.2.	Информационные технологии, электроника.................
13.5.3.	Топливные элементы....................................
13.5.4.	Химические сенсоры....................................
13.5.5.	Катализ...............................................
13.5.6.	Механическое упрочнение материалов.....................
Глава 14.	Объемные наноструктурированные материалы: разупорядоченные и кристаллизованные................
14.1.	Методы синтеза разупорядоченных структур...............
14.2.	Механизмы разрушения традиционных материалов...........
14.3.	Механические свойства наноструктурированных материалов..
14.4.	Многослойные наноструктурированные материалы..........
14.5.	Электрические свойства наноструктурированных материалов..
14.6.	Нанокластеры в оптическом материаловедении..............
14.7.	Пористый кремний......................................
14.8.	Упорядоченные наноструктуры............................
14.8.1.	Упорядоченные структуры в цеолитах......................
14.8.2.	Кристаллы из металлических наночастиц....................
14.8.3.	Нанокристаллы для фотоники.............................
Глава 15.	Наноприборы и наномашины...........................
15.1.	Микроэлектромеханические устройства (MEMS).............
15.2.	Наноэлектромеханические системы (NEMS).................
15.3.	Наноактуаторы.........................................
15.4.	Молекулярные и супрамолекулярные переключатели.........
	Заключение...........................................
	БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Настоящее учебник адресован студентам вузов, аспирантам и научным работникам, специализирующимся в области физической электроники, информационных технологий и инженерных наук, а также специалистам производственных организаций и предприятий, желающим освежить и дополнить свои знания по данной тематике.

Основной задачей учебного курса является систематизация физических принципов конструирования, изготовления и функционирования интегральных микросхем различной степени сложности, а также анализ возможных перспективных направлений развития микроэлектроники в ближайшем будущем. Овладев изложенным материалом, читатель получит базовые знания, которые необходимы как для дальнейшего углубленного изучения физики электронных систем, схемотехники и сверхбыстродействущих микропроцессоров, так и для понимания принципов и условий функционирования различных радиоэлектронных устройств, в которых применяются интегральные схемы.

В предлагаемой книге материал скомпонован и подан таким образом, чтобы удовлетворить современные требования к преподаванию научно-технических дисциплин в высших учебных заведениях. Для этого учтены и систематизированы достижения отечественной и зарубежной микроэлектронной промышленности за последние десятилетия, приведены примеры возможного практического использования микро- и наноэлектронных устройств, находящихся в стадии концептуальных разработок, широко используются сравнительные диаграммы, схемы и таблицы. Выбранный метод изложения обусловлен желанием сделать материал более доступным для самостоятельного обучения. Однако в этом случае предполагается, что читатель хорошо знаком с дифференциальным и интегральным исчислением, уравнениями в частных производных и обладает необходимыми познаниями из курсов физики твердого тела и квантовой механики.

Исторически микроэлектроника как научно-техническая отрасль развивалась более полувека, тогда как нанотехнологии (и, в частности, наноэлектроника) стали развиваться только в последние 10-15 лет. Эта особенность определила характер изложения материала в учебнике. Значительная по объему часть 1 посвящена физическим основам технологии микроэлектроники. В части 2 рассматриваются теоретические аспекты наноэлектроники и методы получения наноразмерных объектов. Такая последовательность изложения материала, по мнению авторов, позволяет подчеркнуть известную преемственность технологий при переходе от микро- к наноэлектронике. Рассмотрены получение и свойства отдельных наночастиц и атомных кластеров, объёмных наноматериалов. Отмечены новейшие области применения нанотехнологий, наноприборов и наномашин. В целом данный подход обеспечивает возможность акцентирования внимания читателей на принципиальной новизне используемых в наноэлектронике технологических методов анализа и контроля.

Следует заметить, что представленный в настоящем учебном издании материал характеризуется лаконичной формой изложения. Это связано, с одной стороны, ограниченным объемом книги, а с другой стороны, обширностью затронутой тематики. По этой причине читателю предлагается для более глубокого изучения и усвоения материала по ряду вопросов воспользоваться дополнительными литературными источниками, список которых приведен в конце учебника.

Авторы считают своим долгом выразить глубокую признательность творческим вдохновителям этого учебного издания − Анатолию Федоровичу Зацепину, Эрнсту Загидовичу Курмаеву и Анатолию Зотеевичу Меньшикову, с которыми интенсивно обсуждались рассматриваемые в книге вопросы физики и технологии микро- и наноэлектроники.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Эра электроники начинается с открытия Дж.Томсоном в 1897 году электрона и создания первоначального варианта теории электропроводности твёрдого тела. В 1905 г. А.Флемингом была разработана конструкция вакуумного диода, а Гертель и Эльстел (1905) создали фотоэлемент. В 1923 году Шоттки опубликовал теорию твёрдотельного выпрямителя – первую теоретическую работу в области полупроводников, выполненную с применением квантово-механических расчётов и положившую начало твёрдотельной электронике.

Наиболее сильный импульс в развитии электронная промышленность получила в 40-е годы прошлого века, когда были созданы технические основы миниатюризации изделий радиоэлектроники. В этот период были разработаны новые материалы и технологические приемы изготовления твёрдотельных устройств, однако наиболее важным следует считать осознание факта преимущества твёрдотельных электронных приборов перед электровакуумными (габариты, долговечность, рабочий диапазон). Была сформулирована основная концепция прикладной электроники:

· отказ от приборов с накаливаемыми катодами;

· применение твёрдотельных материалов, электропроводность которых меняется под действием электрических факторов;

· дальнейшая миниатюризация электронных устройств.

Результатом претворения данной концепции в жизнь явилось создание устройств на дискретных компонентах, выполненных из Si (автогенератор Килби, 1959 г.). Первые цифровые схемы на дискретных биполярных транзисторах появились в 1962 г. В это же время были созданы монолитные микросхемы, выполненные на общей кремниевой подложке. Поэтому можно считать, что собственно эра микроэлектроники начинается именно с 1962 г. Дальнейшее развитие микроэлектронных устройств представлено в следующей таблице:

 

Эволюция миниатюрных электронных устройств

Степень интеграции	Начало внедрения	Число элемен-тов на одном кристалле	Область применения
Малая	Начало 60-х годов	От 3 до 30	Базовые логические элементы
Средняя	Середина и конец 60-х	От 30 до 300	Сумматоры, запоминающие устройства на 256 бит
Большая (БИС)	Начало 1970-х	От 300 до 3000	Калькуляторы, запоминающие устройства с произвольным доступом на 1-16 кбит
Сверхболь-шая (СБИС)	Конец 70-х – наши дни	>>30000	Устройства памяти, процессоры ЭВМ

 

На основе представленных в таблице данных можно сформулировать основную тенденцию развития прикладной микроэлектроники – рост числа элементов, размещаемых на одном кристалле, сопровождающийся уменьшением их геометрических размеров.

Достижения физики твердого тела, квантовой электроники и полупроводниковой технологии в последние десятилетия XX века привели к возникновению новой отрасли науки – наноэлектроники. По мере приближения размеров к нанометровой области (когда формируются образования из единиц и десятков атомов) все в большей степени проявляются квантовые свойства электрона, что открывает перспективы создания принципиально новых устройств. Содержание наноэлектроники как прикладной науки состоит в изучении физико-химических закономерностей формирования микроэлектронных структур с размерами от единиц до десятков нанометров, установлении основных механизмов поведения электронов в тончайших слоях и многослойных структурах, в разработке принципов создания нового поколения быстродействующих сверхминиатюрных электронных устройств.

Большой вклад в создание и развитие наноэлектроники, этой важнейшей области науки и техники, внесла отечественная научная школа, возглавляемая нобелевским лауреатом, академиком Ж.И. Алферовым.

Часть первая. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

 

 

1.1. Основные определения

Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных изделий с высокой степенью интеграции.

Микроэлектроника решает следующие задачи:

· повышение надёжности электронной аппаратуры за счёт отказа от применения дискретных компонентов;

· уменьшение габаритов, массы, потребляемой энергии и стоимости электронной аппаратуры;

· разработка и применение качественно новых технологий получения сверхчистых материалов для формирования в микрообъёмах твёрдого тела сложных электронных узлов – интегральных микросхем.

Интегральная микросхема (ИС) – микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов и компонентов, рассматриваемых как единое целое.

Как следует из определения, ИС содержит элементы и компоненты

 

Рис. 1.1. Структура интегральной схемы

 

Элемент ИС – часть ИС, реализующая конкретную функцию какого-либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора).

Особенности элемента ИС:

· выполняется нераздельно от кристалла или подложки ИС;

· не может быть отделён от ИС как самостоятельная работоспособная часть или изделие.

Компонент ИС – та же часть ИС, реализующая функцию электрорадиоэлемента.

Однако, в отличие от элемента ИС, компонент ИС является самостоятельным изделием в специальной упаковке и в принципе может быть отделён от изготовленной ИС.

Важной характеристикой ИС является степень её интеграции: k ≈ lg N, где k – коэффициент интеграции (округляется до ближайшего большего целого числа), N – число элементов и компонентов, входящих в ИС.

 

Степени интеграции:		Если
N ≤ 10 11 ≤ N ≤ 100 101 ≤ N ≤ 1000 1001 ≤ N ≤ 10000 10001 ≤ N ≤ 100000	1 – степень интеграции ИС 2 – степень интеграции ИС 3 – степень интеграции ИС 4 – степень интеграции ИС 5 – степень интеграции ИС	k ≤ 1 – простая ИС 1 ≤ k ≤ 2 – средняя ИС 2 ≤ k ≤ 4 – большая ИС k ≥ 4 – сверхбольшая ИС

 

Кроме степени интеграции, для характеристики ИС используют такой показатель, как плотность упаковки элементов – количество элементов (чаще всего транзисторов), приходящихся на единицу площади кристалла. Данный параметр характеризует главным образом уровень технологии и в настоящее время составляет 500-1000 N /мм².

 

 

1.2. Классификация изделий микроэлектроники

Исходя из задач современной микроэлектроники, все микроэлектронные изделия можно разделить на три группы (рис. 1.2).

 

 

 

Рис. 1.2. Схема классификации изделий микроэлектроники

 

 

Рассмотрим более подробно классификацию ИС по конструктивно-технологическим признакам (см. рис. 1.3).

Приведенная классификация позволяет определить основные достоинства и недостатки ИС.

Достоинства:

· производство ИС рентабельно, так как в едином технологическом цикле изготовляется большое число идентичных изделий;

· все ИС, полученные из одной пластины-заготовки, имеют одинаковые характеристики, чего невозможно добиться, применяя дискретные элементы;

· высокая надёжность ИС, так как все внутренние межсоединения образованы в процессе изготовления ИС и, следовательно, отпадает необходимость пайки;

· малые габариты ИС.

 

Гибридные (в составе ИС есть и плёночные и полупроводниковые элементы)

Толстоплёночные

 

 

Рис. 1.3. Схема классификации ИС по

конструктивно-технологическим признакам

 

Недостатки:

· характеристики ИС в области высоких частот ухудшаются из-за наличия паразитных ёмкостей;

· пассивные элементы имеют большие значения температурных коэффициентов;

· в ИС крайне трудно создавать катушки индуктивности;

· сопротивления резисторов лежат в пределах 10-50 кОм, а ёмкость конденсаторов менее 200 пФ.

Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике

Условно их можно разделить на две группы (рис. 1.4). Как видно из схемы, явления и процессы группы I не только определяют физические возможности реализации конкретной функции ИС, но и позволяют математически описать принципы работы ИС и их элементов. Что же касается группы II, то перечисленные методы определяют возможность технологической реализации ИС.

1. Туннельный эффект, эффект сильного поля 2. Эффект Ганна 3. Эффект Холла 4. Эффект Пельтье 5. Эффект Зеебека 6. Эффект Джозефсона

1. Перенос носителей заряда 2. Контактные явления 3. Электронные процессы на поверхности 4. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках 5. Размерные эффекты 6. Физические явления в ферромагнитных плёнках

 

Рис. 1.4. Схема физических явлений, процессов и методов,

используемых в микроэлектронике

 

1.4. Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ИС)

Кинетические явления в общем случае характеризуют движение носителей заряда в полупроводниках, которое обусловлено двумя процессами: диффузией под действием градиента концентрации и дрейфом под действием градиента электрического потенциала. Поскольку в микроэлектронике используют примесные полупроводники с двумя типами носителей заряда – дырками, электронами, то полный ток J будет определяться выражением

J = (J_p) _диф + (J_p) _дрейф + (J_n) _диф + (J_n) _дрейф, (1.1)

где индексы n и р – электронные и дырочные составляющие тока.

Плотности дрейфовых составляющих тока пропорциональны градиенту электрического потенциала .

Поскольку - напряжённость электрического поля, то для одномерной модели

; ,

(1.2)

; ,

где q – заряд дырки или электрона; μ _р, μ _n – подвижности дырок и электронов; D_p, D_n – коэффициенты диффузии дырок и электронов, n и р – концентрации электронов и дырок.

Подвижность дырок и электронов зависит от температуры и концентраций примесей.

, (1.3)

где – температурный потенциал; k – константа Больцмана, Т – температура (например, при Т = 300 К, ≈ 0,026 В)

С учётом уравнений (1.1) и (1.2) получим уравнение плотности тока

. (1.4)

Концентрации p и n являются функциями двух переменных – координаты x и времени t: p(x,t) n(x,t).

Эти функции являются решениями уравнений непрерывности

(1.5)

где р ₀ и n ₀ - равновесные значения концентраций дырок и электронов, ; – избыточные концентрации; , – среднее время жизни носителей заряда.

 

1.5. Контактные явления в микроэлектронных структурах

Контактные явления в микроэлектронных структурах играют исключительно важную роль. Все электрические контакты можно разделить на:

· линейные (омические). Такие контакты имеют малое сопротивление, не искажают форму сигнала, имеют линейную вольт-амперную характеристику;

· нелинейные. Этот вид контактов имеет место, например, в процессах выпрямления, детектирования, генерирования частоты;

· инжектирующие (асимметричные). Данный вид контактов реализуется в биполярных транзисторах, где происходит инжекция неосновных носителей заряда в одном направлении.

В микроэлектронике наибольшее распространение получили следующие структуры контактов:

· металл-металл;

· металл-полупроводник;

· металл-диэлектрик;

· полупроводник-полупроводник;

· полупроводник-диэлектрик.

Контакты “металл-полупроводник” могут быть как омическими, так и нелинейными. Омические контакты “металл-полупроводник” широко применяют в активных и пассивных ИС полупроводникового типа, а также в активных элементах гибридных ИС. Обеспечение омического контакта, характеризуемого низким сопротивлением, зависит от соотношения работ выхода электронов из металла и полупроводника.

Тем не менее в микроэлектронике наиболее часто встречаются плавные несимметричные переходы p-n, для которых >> или >> .

Для таких переходов полная концентрация N(x) = N_d - N_a = ax, где a – градиент концентрации примеси; N_d – донорная примесь; N_a – акцепторная примесь; x – координата (или толщина материала).

Графически распределение примесей в области такого перехода можно изобразить следующим образом:

 

Для донорной и акцепторной примесей

Для разности концентраций донорной и акцепторной примесей

 

Рис. 1.5. Распределение донорных и акцепторных примесей

в области несимметричных переходов

 

В результате разности работ выхода электронов в n - и p - областях возникает диффузионный поток электронов и аналогичный поток дырок, направленный в противоположную сторону. Уход электронов и дырок из приконтактных областей создаёт область объёмного заряда, обусловленного неподвижными ионизированными атомами донорно-акцепторной примеси.

При этом концентрации неосновных носителей p_n и n_p по сравнению с равновесными значениями и будут возрастать по закону:

, (1.6)

где U – подведённое внешнее напряжение к p-n -переходу.

Таким образом, имеем процесс нагнетания избыточных неосновных носителей заряда – инжекцию. Процесс же удаления неосновных носителей заряда есть экстракция.

Вольт-амперная характеристика p-n- перехода описывается следующим выражением:

, (1.7)

где – плотность тока насыщения, а L_n и L_p – диффузионные длины электронов и дырок.

Из (1.7) следует, что в прямом направлении ток возрастает по экспоненциальному закону с повышением напряжения, а в обратном – стремится к току насыщения J_s, который не зависит от внешнего напряжения U.

В случае резкого асимметричного перехода ( << ) плотность тока насыщения будет иметь следующий вид:

. (1.8)

 

1.6. Поверхностные явления в полупроводниках

Свойства полупроводников на поверхности и в объёме различаются, и данный факт необходимо учитывать при разработке и изготовлении ИС. Причина указанного различия состоит в возникновении поверхностных энергетических состояний у поверхности реальных полупроводниковых структур.

Эти состояния обусловлены:

· наличием нескомпенсированных валентных связей;

· искажением энергетического потенциала решётки у поверхности;

· другими всевозможными поверхностными дефектами.

С этими состояниями связано возникновение поверхностного заряда, то есть поверхность полупроводникового кристалла приобретает положительный или отрицательный заряд. В соответствии с условием электронейтральности образование поверхностного заряда должно сопровождаться возникновением объёмного заряда для нейтрализации. Тогда структура p-n -перехода (рис. 1.3) при отсутствии и наличии “+” поверхностного заряда будет иметь вид:

Рис. 1.6. Структура p-n -перехода при отсутствии (а) и наличии (б) поверхностного заряда

 

Поверхностные явления используются в микроэлектронных структурах в случае приложения к ним внешнего электрического поля. Они сильно изменяют электропроводность полупроводника и известны как эффект поля. Такие структуры положены в основу создания МДП-транзисторов с изолированным затвором.

 

1.7. Механизмы переноса носителей заряда

Электрический ток в полупроводниковых структурах и плёнках может протекать за счёт переноса различных носителей заряда: электронов, дырок, ионов. При этом свойства элементов ИС будут определяться прежде всего механизмами токопрохождения в них. На практике часто реализуется сразу несколько механизмов токопрохождения с преобладанием одного из них.

В соответствии с принятой классификацией различают следующие механизмы появления тока:

· за счёт надбарьерной (шоттковской) эмиссии;

· за счёт туннельного прохождения электронов;

· за счёт термоэлектронной эмиссии;

· за счёт примесной проводимости;

· за счёт ограничения пространственным зарядом.

Следует отметить, что шоттковский ток будет преобладающим при сравнительно низких потенциальных барьерах и высоких температурах, ток за счет ограничения пространственным зарядом возникает при малой высоте потенциального барьера, а туннельный механизм проявляется и преобладает при малой концентрации носителей заряда, низких температурах и малых толщинах перехода.

Перечисленные механизмы используются при построении различных плёночных структур, в том числе и сложных типа “металл-диэлектрик-металл-полупроводник” (МДМП).

Глава 2. БАЗОВЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР

 

Изготовление ИС предполагает выполнение большого числа отдельных сложных и взаимосвязанных операций формирования структуры ИС. Все эти операции можно объединить в 4 группы:

· получение исходных пластин;

· выращивание пленок, из которых на пластине создаются полупроводниковые, диэлектрические и металлические слои;

· формирование рисунков, обеспечивающих воспроизведение топологии ИС на поверхности пластин;

· сборка и монтаж ИС.

Независимо от типа пластин, используемых в качестве исходного материала для изготовления ИС, их поверхности перед началом технологического цикла подвергают специальной очистке.

 

2.1. Очистка поверхности пластин для ИС

Качеству очистки поверхности пластин придается большое значение, поскольку надежность и электрические характеристики ИС во многом определяются состоянием их поверхности. Кроме того, в ИС высокой степени интеграции влияние загрязнений на надежность компонентов может быть особо негативным.

В настоящее время применяют три основных метода очистки: растворение, механическая очистка, удаление частиц загрязнения потоком жидкости или газа. Выбор метода очистки определяется типом загрязнений, их влиянием на технологические операции изготовления ИС и свойства элементов и компонентов ИС.

Наибольшее применение получили следующие методы:

1) промывка в деионизированной воде;

2) ультразвуковая промывка в растворителях;

3) кипячение в растворителях;

4) травление кислотами;

5) обработка ионной бомбардировкой в тлеющем разряде.

Заметим, что очистка пластин производится перед каждой операцией формирования ИС.

 

2.2. Получение полупроводниковых монокристаллов методом вытягивания из расплава

Для изготовления ИС в основном используются пластины из кремния и арсенида галлия, вырезаемые из монокристаллических слитков. Для получения заготовок используют очищенный материал, который загружается в тигель ростовой установки. Монокристаллы Si и GaAs выращиваются разными способами. Для этой цели используют методы Чохральского и Киропулоса.

 

Рис. 2.1. Выращивание монокристалла методом Чохральского

 

В методе Чохральского (рис.2.1) монокристалл-затравка, закрепленный на торце держателя, вводится в расплав Si или GaAs и медленно вытягивается из него при непрерывном медленном вращении. Охлаждение расплавленного кремния на гранях кристалла-затравки вызывает рост монокристаллического кремния в точном соответствии со структурой затравочного кристалла. Преобразование расплавленного Si в монокристаллические цилиндрические слитки продолжается по мере их медленного вытягивания из расплава. При этом монокристаллы кремния получаются как в виде цилиндров, так и с естественными гранями роста.

Критическими параметрами в данном методе являются: скорость вращения и вытягивания затравки, чистота материала, однородность температурного поля в расплаве.

Вышеописанным способом производят слитки достаточно больших диаметров (от 80 до 250 мм) с равномерно распределенными электро-химическими характеристиками по длине и сечению.

На одной стороне каждого слитка по всей его длине сошлифовывают плоскую грань, параллельно оси выращивания. Эту грань используют для совмещения рисунка слоев. Далее слиток разрезают с помощью алмазных дисков на отдельные пластины (толщиной от 0,5 до 1 мм), с их последующей шлифовкой и полировкой. На финальной стадии процесса производится тщательный контроль качества полученных пластин.

 

2.3. Термическое окисление

Данный процесс предназначен для создания защитных слоев на поверхности полупроводниковых структур. Термическое окисление – всего лишь один из методов создания таких слоев, поскольку наряду с ним используют еще анодное окисление и пиролитическое нанесение окисла. Термическое окисление получило наибольшее распространение вследствие простоты и качества получаемых защитных слоев.

Кинетика роста слоев при термическом окислении определяется следующими основными процессами:

· адсорбция молекул окислителя на поверхности исходной пластины;

· прохождение атомов окислителя через слой образовавшегося окисла;

· взаимодействие окислителя с атомами кремния на границе раздела “кремний-окисел” с образованием нового слоя окисла.

Обычно термическое окисление Si по планарной технологии выполняется либо в атмосфере кислорода, либо водяного пара:

Si + O₂ SiO₂ ; T = 1000-1300^оC, (2.1)

Si + 2H₂O SiO₂ + 2H₂; T = 1000-1200^оC. (2.2)

Реакция (2.2) проходит при повышенном давлении. Эффективность такой реакции на порядок выше, чем окисление кремния в кислороде согласно 2.1.

Толщина полученного слоя окисла определяется различными способами, в частности, например, по времени окисления.

 

Рис. 2.2. Установка для окисления пластин Si в парах воды

 

В промышленном производстве чаще всего используют комбинированное окисление Si-пластин: сначала выращивают тонкий слой SiO₂ в атмосфере кислорода, затем более толстый слой в парах воды и завершают процесс снова в атмосфере кислорода. Такой комбинированный метод позволяет получить необходимые свойства границ раздела Si – SiO₂ и слоя SiO₂ при минимальных температурах и за более короткое время. При этом выдерживание малых температур является выгодным с точки зрения сохранения геометрии и свойств электронно-дырочных переходов элементов ИС.

 

 

2.4. Эпитаксия

Эпитаксия – процесс ориентированного роста монокристаллического материала на подложке с той же ориентацией, что и кристалл. Для реализации эпитаксиального роста необходимо, чтобы поверхность пластины обладала достаточным числом затравочных центров. Такие центры создаются, например, предварительной обработкой поверхности пластины кремния газообразным HCl и вытравливанием в ней слоя Si толщиной 0,2-1,0 мкм вместе с любыми дефектами кристалла, способными нарушить собственно процесс эпитаксии.

Метод эпитаксии имеет следующие преимущества:

· равномерное распределение примеси в слое (такое распределение невозможно достичь в процессе диффузии);

· ускорение диффузии при получении многослойных структур;

· упрощение операций изоляции элементов ИС;

· сокращение длительности операций получения элементов ИС.

Методы эпитаксии подразделяются на прямые (нанесение слоя осуществляется без промежуточных химических реакций путем испарения из жидкой фазы) и косвенные (используется разложение паров наносимого элемента, например, хлоридный метод).

Хлоридный метод получения эпитаксиальных слоев распространен наиболее широко, поскольку с ростом температуры растет скорость наращивания эпитаксиального слоя.

Кроме хлоридного метода в практике используют силановый метод эпитаксиального роста слоев. В основе этого метода лежит пиролиз SiH₄ при Т = 1050-1150^оC. Полученные силановым методом эпитаксиальные слои более совершенны по структуре и свойствам.

Для эпитаксиального наращивания слоев обычно используется установка, изображенная на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема эпитаксиальной установки (хлоридный метод)

2.5. Фотолитография

Фотолитография служит для получения заданного расположения и конфигурации элементов в ИС. Процесс содержит несколько основных этапов, которые, как правило, одинаковы во всех стадиях вне зависимости от типа структурной технологической схемы.

Суть метода состоит в следующем: сначала на исходную пластину с использованием центрифуги наносится резист (фото- или электрочувствительный материал). Центрифугирование применяется для формирования тонкой однородной пленки. После этого проводится процесс сушки для удаления растворителей с помощью ИК, СВЧ или резистивных нагревателей.

Далее производится экспонирование всей пластины, на которую был предварительно нанесен фотошаблон – негативное или позитивное изображение оригинала (структурного слоя ИС). Фотошаблоны делятся на эталонные, промежуточные, рабочие.

 

Рис. 2.4. Схематичное изображение метода фотолитографии

 

Экспонирование проводится с целью создания скрытого изображения топологии в пленке резиста. После экспонирования необходимо проявить изображение, т.е. селективно удалить или экспонированные области резиста (позитивный резист) или неэкспонированные области (негативный резист). В результате остается маска для травления и металлизации ИС (рис.2.5).

 

Рис. 2.5. Вид заготовки ИС после экспонирования

 

Травление широко используется в технологии изготовления ИС. Его цель – удалить именно те участки слоя, которые оказались оголенными после процесса проявления.

На заключительном этапе фотолитографии выполняется финишная термообработка (задубливание) для закрепления изображения на пластине. Финишная термообработка проводится тем же методом, что и сушка, т.е. с помощью СВЧ или ИК источников.

Совершенствование процесса фотолитографии происходит путем замены контактной фотопечати проекционной. Наиболее перспективным является применение рентгеновской и электронной литографии.

 

2.6. Диффузия

Диффузия – обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении меньшей их концентрации. Диффузия является тем процессом, который чаще всего используется для направленного изменения параметров элементов ИС, предварительно подготовленных в процессе фотолитографии. Собственно процесс заключается в нагреве пластин до температур, не превышающих температуру плавления пластины. Необходимые донорные и/или акцепторные примеси могут поступать из газовой фазы.

Глубина диффузионного слоя лимитируется подвижностью примесей и концентрацией на границе пластины с газовой фазой. В стационарном случае поток примесей в пластину со стороны газовой фазы определяется первым законом Фика:

(2.3)

где F(x) – поток примесей; N(x) – концентрация примесей; D – коэффициент диффузии.

Профиль концентрации примесей ИС может быть получен из решения второго закона Фика, который для D=const записывается в следующем виде:

(2.4)

Коэффициент диффузии имеет экспоненциальную зависимость

(2.5)

где D₀ – предэкспоненциальный множитель; E_a – энергия активации.

Заметим, что при производстве ИС представляют интерес два вида диффузии: диффузия из бесконечного (постоянного) источника примеси и диффузия из ограниченного источника примеси.

1. Диффузия из бесконечного (постоянного) источника примеси происходит в полупроводниковую пластину, диаметр которой много больше ее толщины, на глубину, много меньшую толщины самой пластины.

Под бесконечным источником примеси будем понимать такой источник, у которого количество примеси, уходящей из поверхностного слоя полупроводника в его объем, равно количеству примеси, поступающей в поверхностный слой.

Начальные и граничные условия для этого случая можно записать в виде

(2.6)

где – концентрация диффундирующей примеси; N_s – поверхностная концентрация примеси (N_s = сonst в течение всего процесса); t – время диффузии; х – расстояние от поверхности до границы раздела фаз.

При этих условиях решение уравнения второго закона Фика имеет вид:

, (2.7)

где λ – переменная интегрирования. Второй член в квадратных скобках есть не что иное, как функция ошибок erf. Поэтому уравнение

(2.8)

описывает распределение концентрации примеси в зависимости от координаты времени (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Распределение концентрации примеси в зависимости от координаты и времени

 

2. Диффузия из ограниченного источника примесей. В этом случае начальные и граничные условия можно записать в следующем виде:

(2.9)

где d – тонкий приповерхностный слой полупроводниковой пластины.

При таких условиях второй закон Фика примет вид:

; (2.10)

здесь Q – общее количество примесей в пластине.

Выражение (2.10) представляет собой функцию распределения Гаусса и описывает распределение примеси в зависимости от глубины диффузионного слоя и времени (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Распределение концентрации примеси в зависимости от

глубины диффузного слоя и времени

 

Из сравнения выражений (2.8) и (2.10) видно, что в первом случае концентрация примесей на границе пластины остается постоянной, а внутри пластины постоянно повышается до N_s при t → ∞. Во втором случае концентрация примеси на поверхности постепенно уменьшается и общее количество примеси Q стремится к равномерному распределению на всей глубине пластины.

Первый тип диффузии производится при изоляции полупроводниковых структур и формировании эмиттерных областей. Второй тип – при создании

многослойной структуры ИС.

Существует также диффузия из нанесенного источника примеси: на одну из сторон пластины наносят слой примеси (например, напылением в вакууме), далее пластину нагревают в печи методом открытой трубы в неокисляющей атмосфере и необходимая примесь диффундирует в пластину.

Такой метод изготовления микросхем используют при создании ИС, работающих в ключевых режимах с высоким быстродействием.

 

2.7. Ионная имплантация (ионное легирование)

В технологии микроэлектроники широко распространена ионная имплантация. Вообще говоря, данный процесс чаще всего используют как промежуточный, т.е. предшествующий высокотемпературной диффузии.

Метод основан на использовании управляемых электрическими и магнитными полями направленных потоков ионов с высокими энергиями, бомбардирующих твердое тело, с целью изменения в его поверхностных слоях структурных, электрофизических, физико-химических и других свойств. Наибольшее применение ионная имплантация нашла для введения примесей в полупроводник.

Сущность ионного легирования заключается в следующем. Ионы примесей, получаемые из специальных источников, ускоряются и фокусируются в электрическом и магнитном полях, попадая затем на поверхность полупроводниковой пластины. В результате внедрения ионы передают часть своей кинетической энергии ядрам атомов и электронам. В процессе соударений в кристаллической решетке пластины ИС образуются дефекты – вакансии и междоузельные атомы.

Процесс ионной имплантации всегда сопровождается накоплением радиационных дефектов, что приводит к разупорядочению кристаллической решетки объекта облучения. Внедренные ионы могут непосредственно попасть в вакантный узел, став донорами или акцепторами, хотя такая вероятность невелика. Для перевода внедренных ионов в узлы и восстановления кристаллической структуры полупроводника производят отжиг.

Рис. 2.8. Типичная схема установки для ионного легирования

 

Следует заметить, что содержание внедренных в материал ионов примеси определяется не физическими свойствами подложки (как при диффузии), а условиями внедрения и температурой отжига, которая, как правило, значительно ниже температуры диффузии.

При этом распределение внедренных ионов по глубине описывается законом Гаусса:

, (2.11)

где x – глубина внедрения ионов; Q – доза облучения; R_n – средний нормальный пробег ионов; Δ R_n – его отклонение.

Характерно, что максимум распределения находится не у поверхности пластины как при диффузии, а на расстоянии от поверхности, равном среднему нормальному пробегу ионов. Максимальные значения N(x) в ионно-легированных слоях могут достигать значен