3) Метод

4) Метод

6. Методы получения оксидных пленок кремния

Пленки двуокиси кремния применяются в качестве диффузионных масок, при локальной эпитаксии и локальном газовом травлении, для изоляции слоев при создании пересечений и тонкопленочных конденсаторов. Широко применяются изоляционные слои в качестве рабочего элемента на основе структур металл- окисел-полупроводник. Легированные окисные пленки применяются в качестве источника примеси при диффузии. Наиболее успешные методы осаждения свободных от напряжений плотных пленок SiO2– это реактивное катодное распыление кремния в среде кислорода или высокочастотное катодное распыление (ВЧ распыление) мишени из плавленого кварца. Особое место занимают методы высокотемпературных реакций с кислородом. При термическом окислении кремниевые пластины нагревают в кварцевой трубчатой печи до температуры около 1473 К и окисляют в потоке сухого или влажного кислорода. Оптимальная толщина пленки ограничена сверху необходимой адгезионной прочностью, снизу – скоростью проникновения атомов примеси в пленку кварца. Окисление при высоком давлении Преимущество высокого давления (2*105 Па) состоит в снижении температуры процесса, что приводит к снижению числа дефектов, возникающих в кремнии. Для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции К и прямо пропорциональна времени окисления. Для больших времен окисления рост окисла зависит от коэффициента диффузии D, толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени окисления. Наиболее часто используется толщина окисла, составляющая десятые доли микрометра. Верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1…2 мкм. Добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов улучшает стабильность порогового напряжения полевых МДП-транзисторов, увеличивает напряженность пробоя диэлектриков и повышает скорость окисления кремния. Осаждение из газовой фазы Осаждение окиси кремния происходит в результате пиролиза алкоксиланов, гидролиза галогенов кремния, окисления и гидролиза силана. Осаждение методом пиролиза алкоксиланов выполняется на подложках, нагретых до 700 К, которые помещают в электрическую или индукционную печь и пропускают в инертном газе алкоксилан, нагретый до нескольких десятков градусов. Чаще всего используются тетраэтоксисилан и этилтретоксилан. В камере происходит пиролитическое разложение этих соединений и осаждение пленки окиси кремния. Скорость осаждения в зависимости от температуры составляет 0,005…0,025 мкм/мин. Процесс протекает при низкой температуре, допускает прецизионный электрохимический контроль путем регулирования плотности тока и температуры электролита. Материал катода – пластина, а держателей подложек – тантал.

Осаждение SiO2 из пленкообразующих растворов. Для контролируемого введения примесей в полупроводники существует метод осаждения из пленкообразующих растворов на основе кремнийорганических соединений, разлагающихся при сравнительно низких температурах. Гидролиз кремнийорганических эфиров осуществим только в присутствии катализатора при длительном нагревании. Нанесение пленкообразующего раствора на поверхность полупроводника осуществляется методами центрифугирования, пульверизации, погружения пластины в пленкообразующий раствор. После испарения растворителя на поверхности остается полиэфирная пленка, содержащая воду. Затем проводят термодеструкцию пленочного покрытия при температуре 523…973 К для превращения его в стекловидную пленку на воздухе в течение 1 мин. В процессе термодеструкции происходит окисление полимера, превращение его в SiO2. При толщине более 10-7 м легированная пленка может рассматриваться как бесконечный источник примеси. Нанесение в вакууме. Применяется вакуумное испарение и катодное распыление. При испарении исходным материалом может служить SiO2, SiO и Si чаще всего в присутствии O2 либо O2+H2O. Для испарения SiO2 используется электронно-лучевой испарение, а для испарения SiO – резистивный испаритель. Свойства покрытия в значительной мере зависят от скорости испарения, вида и давления газов, температуры и качества поверхности подложек. Стехиометрические покрытия получаются только при малой скорости осаждения (0,03 мкм/мин) и высоком давлении кислорода (1,33*10-2 Па).

Катодное распыление позволяет получить испарение с помощью кремниевой или кварцевой мишени. Суть одного из наиболее доступных методов состоит в том, что тонкие прозрачные пленки SiO2, нанесенные на отражающую подложку, изменяют свой цвет в зависимости от толщины. Метод получил название цветового. В его основе лежит явление интерференции световых лучей, отраженных от границы раздела пленка – воздух и пленка – подложка. Оптическая разность хода этих лучей равна 2nd/cos , где d – толщина пленки; - угол преломления лучей в пленке; n – показатель преломления пленки. Для нормально падающего света с длиной волны условиями интерференции с усилением и ослаблением являются соответственно соотношения к – целое число.

При освещении пластины кремния с поверхностной пленкой SiO2 равномерным нормально падающим белым светом цвет пленки создается той частью спектра излучения, которая не ослабляется при интерференции. При изменении d эта часть спектра изменяется, что влечет за собой смену цвета.

7. Методы легирования полупроводников

В современной технологии изготовления полупроводниковых ИС и БИС легирование полупроводников является одним из базовых процессов. По признаку общности физических явлений и технологических приемов современные методы легирования можно подразделить на следующие основные группы:

1) Диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества и направленный в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия. Иногда используют понятие самодиффузии – перемещение атомов в однородной среде, когда их концентрация везде одинакова. Самодиффузия также обусловлена беспорядочным тепловым движением атомов. При температуре выше температуры Таммана (температура Таммана равна половине температуры плавления данного вещества, выраженной в абсолютных градусах) подвижность узловых атомов решетки становится значительной, и их перемещения являются основным механизмом диффузии. Энергия, которую необходимо сообщить атому для единичного скачка в кристаллической решетке, назы-вают энергией активизации диффузии.

2)Метод ионного легирования применяется при изготовлении полупроводниковых приборов с большой площадью переходов, солнечных батарей и кремниевых детекторов ядерных излучений, варакторов, фотодиодов, биполярных и МДП ИС. Этот метод позволяет, например, получать объемные резисторы интегральных микросхем с номиналами сопротивлений от 10 кОм до 1 МОм. Процесс ионного легирования происходит в два этапа. Сначала в полупроводниковую пластину внедряют ионы, затем производят отжиг, при котором восстанавливается нарушенная внедрением кристаллическая структура полупроводника, и ионы примеси занимают узлы кристаллической решетки. Механизм ионного внедрения принципиально отличается от механизма диффузии. При ионном внедрении движение ионов в полупроводнике определяется их начальной кинетической энергией, а не градиентом концентрации, как при диффузии.