Термические процессы при изготовлении микросхем

Значительное место в технологических операциях по изготовлению приборов занимают термические процессы. С помощью термических процессов производят обезгаживание и очистку материалов, получают проводящие (SnO) диэлектрические (SiO₂), монокристаллические и поликристаллические слои на поверхности полупроводниковых пластин, а также диффузионные и легированные слои в приповерхностной области. Метод диффузии широко применяется при формировании упрочняющих покрытий.

Диффузия

Диффузия-это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой температурой, электрическим полем, излучением и т.д.

Атомы электрически активных примесей диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n- типа электропроводности.

Диффузия газов из материалов

 

При нагреве материалов из них выделяются различные газы. Приповерхностные газы выделяются достаточно быстро (секунды). Газовыделение зависит от рельефа поверхности, температуры, чистоты поверхности, структуры материала. Газы, растворенные в металлах, выделяются достаточно долго (часы).

Поверхностная диффузия

 

Поверхностная диффузия представляет собой распространение вещества по поверхности твердого тела. Она протекает как путем миграции одиночных атомов, так и их объединений (островков, кластеров). Примерами таких процессов является рост кристаллов, напыление, спекание, формирование пленок. Значительна ее роль в деградации пленочных слоев. В первом приближении диффузия характеризуется коэффициентом диффузии Д, энергией активации (Еа) и температурой. Зависимость коэффициента диффузии от параметров процесса выглядит следующим образом:

Д= До exp (- Еа/кT)

До-частотный множитель, характеризующий частоту поверхностных колебаний атома;

к - постоянная Больцмана.

В таблице 5.2 представлены некоторые значения параметров диффузии

Табл. 5.2

Некоторые значения параметров диффузии

Материал	До х 10^6	Еа, эВ	Т^0 С	Д,x10^10 см^2/с
Al	4,8	3,3
Ge		5,28
Cu	68,6	4,23		1,3

Механизмы поверхностной диффузии

 

При попадании на поверхность атом стремится занять минимальное энергетическое положение. Диффузия в этом случае подобна броуновскому движению. Такой механизм получил название перекати-поле. При повышении энергии связи атома с поверхностью миграция атомов происходит по механизму развертывающегося ковра, картина которого напоминает горку из гороха, раскатывающегося во все стороны.

Ионизованный атом может изменять направление своего движения под действием электропереноса. Коэффициент диффузии при этом может возрасти вдвое и более.

На рис. 5.12 представлена схема поверхностной диффузии по модели перекати-поле (а), развертывающийся ковер (б) и электроперенос (в).

Рис.5.12. Схема поверхностной диффузии

Механизмы объемной диффузии

В настоящее время наибольшее распространение получили четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный. На рис. 5.13 представлены схемы реализации указанных механизмов.

Рис.5.13. Схемы реализации механизмов диффузии

 

Вакансионный механизм (рис.5.13 а) обусловлен наличием точечных дефектов (вакансий - пустых незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесия. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом полупроводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным - то происходит самодиффузия, а если примесным- примесная диффузия.

Межузельный механизм (рис.5.13б) характерен тем, что атом переходит из одного положения в другое по междуузлиям. Такой механизм наиболее вероятен для атомов примеси, так как они слабее связаны с решеткой.

Эстафетный механизм (рис.5.13 в) реализуется в случае вытеснения атома из узла в междуузлие или наоборот. Такой механизм вероятен при ионном легировании материала.

Краудионный механизм (рис.5.13г) характеризуется смещением из узла на период решетки. Такой механизм может реализоваться при ионной имплантации.

В последнее время к основным механизмам диффузии в полупроводниках относят: механизм прямого обмена атомов, кольцевой, диссоциативный. В общем случае диффузия анизотропна, однако, в кубической решетке из-за ее симметрии диффузия изотропна.

Диффузионное уравнение

Процессы изотропной диффузии описываются с помощью первого и второго законов Фика устанавливающих, что плотность потока диффундирующих атомов J пропорциональна концентрации примеси N (J~N) и что скорость накопления примеси во времени пропорциональна потоку (dN/dt~ d(J)). Связь плотности потока атомов- J с коэффициентом диффузии D, концентрацией атомов N примеси и временем диффузии t в направлении х выражается соотношениями:

J= -D dN/dx + n (первый закон Фика)

DN/dt=d/dx(D dN/dx)(второй закон Фика)

где n- собственная концентрация;

- подвижность примеси;

- напряженность электрического поля.

Второй член первого закона Фика отражает дрейф в электрическом поле. Температурная зависимость коэффициента диффузии имеет вид:

D=Do e-^Ea/kT,

где Do- константа в пределах сотен градусов.