- •Роль физико-химических процессов в технологии и конструировании электронных средств.
- •Основные термодинамические понятия.
- •Законы термодинамики.
- •Энтропия.
- •Условия равновесия термодинамических систем. Правило фаз.
- •Диаграммы состояния различных систем и их роль при проектировании технологических процессов.
- •Однокомпонентные системы.
- •Объемные диаграммы состояния.
- •Многокомпонентные системы.
- •Основные типы диаграмм равновесия бинарных систем.
- •Статистический характер второго закона термодинамики.
- •Характеристические функции и термодинамические потенциалы системы.
- •Явления и процессы на поверхности раздела двух фаз. Адсорбция физическая и химическая.
- •Термодинамическое равновесие поверхностного слоя с объемными фазами.
- •Растворы и их применение в технологии эс.
- •Виды химической связи между атомами. Равновесное состояние системы атомов. Основные свойства материалов, определяемые особенностями химической связи.
- •Металлическая связь:
- •Молекулярная связь:
- •Пространственное расположение частиц при образовании кристалла.
- •Кристаллические решётки. Типы симметрии и виды решёток. Индексы Миллера.
- •Структура жидкости.
- •Структура полимеров.
- •Жидкие кристаллы.
- •Образование и структура пленок.
- •2. Ионно-плазменное распыление:
- •3. Электрохимическое осаждение:
- •Получение тонких пленок на ориентирующих подложках (эпитаксия).
- •Особенности структуры пленок. Влияние физико-химических факторов на структуру и свойства пленок.
- •Влияние физико-химических факторов на свойства пленок.
- •Закономерности и механизмы диффузии в полупроводниковых и планарных структурах.
- •Диффузия в твердых телах. Механизмы диффузии.
- •Законы диффузии Фика.
- •Использование диффузии для введения примеси в полупроводниковые кристаллы. Диффузия из ограниченного и неограниченного источника.
- •Физические основы ионной имплантации.
Закономерности и механизмы диффузии в полупроводниковых и планарных структурах.
В современной технологии изготовления полупроводниковых ИМС и БИС легирование полупроводников является одним из базовых процессов. Неуклонное повышение быстродействия и степени интеграции ИМС, как биполярных, так и МДП-ИМС, достигается постоянным уменьшением геометрических размеров полупроводниковых структур за счет совершенствования методов локального легирования полупроводников при соответствующем повышении качества и разрешающей способности методов литографии.
По признаку общности физических явлений и технологических приемов современные методы легирования можно подразделить на следующие группы:
а) высокотемпературная диффузия;
б) ионная имплантация;
в) радиационно-стимулированная диффузия.
Для каждой группы характерно использование специализированного технологического оборудования, обеспечивающего проведение процесса в строго контролируемом режиме. Поскольку основные характеристики ИМС определяются параметрами р-n -переходов и легированных областей, которые зависят от распределения примесей в структурах при легировании, к процессам легирования предъявляют жесткие требования по прецизионности геометрических размеров легированных областей и точности распределения концентрации примеси. Это, в свою очередь, обусловливает требования к технологическим режимам процессов легирования по обеспечению заданного распределения введенной примеси.
Диффузия в твердых телах. Механизмы диффузии.
Диффузия - это обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации.
При диффузии в кристаллах различают перемещение примесных атомов (гетеродиффузия) и атомов данного твердого тела (самодиффузия).
Скорость диффузии зависит от градиента концентрации атомов. Чем больше градиент концентрации, тем интенсивнее перемещение атомов.
Диффузия атомов в кристаллической решетке осуществляется отдельными скачками из одного положения равновесия в другое. Длинны элементарных перемещений имеют порядок межатомных расстояний. За счет скачков атомы могут перемещаться на большие расстояния.
Возможны три механизма атомных скачков:
а) взаимный обмен местами;
б) движение по вакансиям;
в) движение по междоузлиям.
а) Обмен местами – это простейший акт диффузии, при этом в плотноупакованной структуре атом должен преодолеть большой потенциальный б арьер, что обуславливает необходимость смещения соседних атомов. При кольцевом обмене перемещаются несколько атомов. Здесь потенциальный барьер меньше чем в первом случае, но вероятность осуществления такого диффузионного механизма резко уменьшается с ростом числа атомов в кольце, т.к. при этом увеличивается суммарная энергия элементарного атомного перемещения.
б) Диффузия по вакансиям:
в начале образуются вакансии, атом примеси вводится в подложку, попадает в вакансию и последовательно скачками перемещается по вакансиям.
в) Диффузия по междоузлиям:
П римесной атом перемещается по междоузлиям пока не попадает в вакансию.
В прмесной диффузии преобладающую роль играют механизмы диффузии по вакансиям и междоузлиям, причем вакансионный механизм доминирует при «низких» температурах (800-950оС), а междоузельный при «высоких» (1100-1200оС).
Возможны несколько видов диффузии:
смещение атома из поверхностного или приповерхностного узла на поверхность с образованием дефектов по Шотки.
диффузия по поверхности монокристалла или одного зерна – это поверхностная однофазная диффузия.
образование структуры Шотки и диффузия по границам многих зерен – это поверхностная многофазная диффузия.
образование структуры Шотки и диффузия по внутренним, закрытым порам, трещинам и дислокациям – это внутрифазная диффузия.
Вакансии и междоузлия – дефекты I рода, дислокации и границы зерен относят к дефектам II рода.
Все виды диффузии по дефектам II рода требуют меньшей энергии активации, чем по дефектам I рода, при этом соблюдаются закономерности: при высоких температурах, когда тепловое движение помогает преодолению потенциальных барьеров течение диффузии мало зависит от дефектов II рода, преобладает диффузия по дефектам I рода, с уменьшением температуры диффузия по дефектам I рода замерзает и преобладает диффузия по дефектам II рода.
Скорость диффузии примесных атомов в металлах и полупроводниках обратнопропорциональна их растворимости.
Если атомы растворителя и растворяемого вещества идентичны, то примесь проникает в кристаллическую решетку в основном по вакансиям, замещая узлы растворителя. В результате образуется твердый раствор замещения, и примесные атомы обладают большой растворимостью.
В том случае, когда атомы разнородны и растворяемый атом не может замещать узел или удержаться там вследствие слабой химической связи, диффузия идет в основном по междоузлиям. Это более быстрый механизм, но в междоузельном пространстве может разместиться значительно меньше атомов, чем в вакансиях, что обусловливает малую растворимость. Поэтому можно полагать, что в полупроводниках типа кремния элементы III группы (Периодической системы Д. И. Менделеева) лучше растворимы, чем элементы II группы, которые, в свою очередь, обладают большей растворимостью, чем элементы I группы. Внутри группы максимальная растворимость характерна для более легких элементов.
Известно, что элементы III группы быстрее диффундируют в кремнии, чем в германии, а элементы V группы — наоборот. Это можно объяснить взаимодействием атомов примесей и вакансий и размерами диффундирующих атомов. Установлено, что вакансии в германии и кремнии являются акцепторами. Будучи заряженными, они вступают в кулоновское взаимодействие с диффундирующими ионами примеси, если этому способствуют размеры атомов. В германии преобладает кулоновское взаимодействие, и доноры диффундируют быстрее, чем акцепторы. В кремнии, наоборот, основным является различие в размерах между примесными ионами и атомами решетки, вследствие чего акцепторы диффундируют быстрее доноров.