2 ПЕРЕЧЕНЬ МАТЕРИАЛОВ Электронный учебно-методический комплекс (ЭУМК) по учебной дисциплине «Технологии нано- и микросистемной техники» состоит из следующих разделов: I. Теоретический раздел: - курс лекций; II. Практический раздел: - перечень тем практических занятий; III. Контроль знаний: - перечень вопросов, выносимых на экзамен; IV. Вспомогательный раздел: - учебная программа для учреждения высшего образования. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Цели создания ЭУМК: Целью ЭУМК по дисциплине «Технологии нано- и микросистемной техники» является формирование у студентов комплекса знаний по изучаемой учебной дисциплине, соответствующих академическим, социально-личностным и профессиональным компетенциям специалиста в рамках образовательного стандарта для специальности «Микро- и наносистемная техника». Особенностями структурирования и подачи учебного материала являются изучение следующих теоретических материалов: - описание базовых технологических процессов изготовления компонентов микро- и наносистемной техники, - изучение основ эпитаксии, легирования, различных видов литографических процессов, тонкопленочных и вакуумных технологий, нелитографических методов формирования наноструктур. Практическая часть состоит из перечня тем практических занятий и методических указаний по выполнению лабораторных работ. Раздел контроля знаний содержит вопросы к экзамену. Вспомогательный раздел содержит учебную программу по дисциплине «Технологии нано- и микросистемной техники». Рекомендации по организации работы с ЭУМК: Материалы данного электронного учебного-методического комплекса можно использовать при выполнении лабораторных работ, выполнении курсовых проектов и 3 технологических частей дипломных проектов (работ), связанных с технологиями нано- и микросистемной техники. 4 СОДЕРЖАНИЕ I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ…………..…………………………..…….. Введение………………………………………..………………………….……. Раздел 1. Технологический процесс - основные понятия. Кремниевые подложки и их назначение………………………………………………….…. 1.1 Технологический процесс - основные понятия. Основные технологические процессы производства изделий микро- и наносистемной техники. ……………………………………………………………………...…. 1.2 Кремниевые подложки и их назначение. Особенности перехода с 300 мм на 450 мм кремниевые пластины…………………………………..…. Раздел 2. Загрязнения подложек и методы очистки. Травление…………..… 2.1 Источники и виды загрязнений поверхности подложек и пластин…….. 2.2 Классификация методов очистки пластин …………………………….…. 2.2.1 Обезжиривание и промывание пластин….……………………………... 2.2.2 Химическое и электрохимическое травление………………………….. 2.2.3 Способы интенсификации процессов жидкостной очистки……….…. 2.2.4. Методы сухой очистки………………………………………………….. 2.2.5 Виды загрязнений и способы их удаления……………………………... Раздел 3. Основные базовые технологические процессы технологии микро- и наносистемной техники…………………………………………..…. 3.1 Сущность базовых технологических процессов……………………….… 3.2 Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры……….………………………………….………………………..…. Раздел 4. Основы базовых технологических процессов: травление, эпитаксия, термическое окисление, диффузия и ионная имплантация …… 4.1 Эпитаксия……….…………………………………………………………... 4.1.1 Эпитаксия из газовой фазы……………………………………………… 4.1.2 Жидкофазная эпитаксия…………………………….…………………… 4.1.3 Молекулярно – лучевая эпитаксия………………..…………………..… 4.2 Термическое окисление………………………………………………….… 4.3 Ионная имплантация и диффузия примесей……………………………… 4.3.1 Ионная имплантация. Профили распределения примеси при ионной имплантации. Дефекты при ионной имплантации и способы их устранения. ………………………………………………………………..…… 4.3.2 Термическая диффузия примесей.…...…………………………..…….. Раздел 5. Основные технологии напыления тонких пленок………………… 5.1 Термовакуумное напыление…...……………………………………..……. 5.2 Катодное распыление………………………………………………..……... 6 6 7 7 9 13 13 14 14 15 18 21 24 25 25 28 30 30 31 34 34 40 44 45 48 50 50 51 5 5.3 Трехэлектродная система распыления……………….……………..……. 5.4 Реактивное распыление……………………………………………..….….. 5.5 Магнетронное распыление…………………………………………..…….. 5.6 Ионно-лучевые методы получения тонких пленок…………………..….. Раздел 6. Основы вакуумных технологий…………………..………………… 6.1 Основы вакуумных технологий – понятие вакуума, степени вакуума. Число Кнудсена……………………………………………..……………….…. 6.2 Общая характеристика вакуумных насосов……..…..…………….….….. 6.3 Физические принципы объемной откачки (форвакуумные насосы)…… 6.4 Высоковакуумные насосы. Физические принципы, лежащие в основе работы турбомолекулярных, криогенных и диффузионных насосов ……… Раздел 7. Литографические и нелитографические методы в технологии микро- и наносистемной техники…………………………..……………….… 7.1 Основы фотолитографии………………………………...………………… 7.1.1 Методы оптической литографии……………………...……………...… 7.1.2 Фоторезист. Негативные и позитивные фоторезисты .……………...... 7.1.3 Методы нанесения фоторезистов………………………...……….…...… 7.1.4 Основные параметры фоторезистов…………..………...……….…...… 7.2 Основы электронно-лучевой литографии……...…..………...……….…... 7.2.1 Проекционные системы…………..………...…………………….…...… 7.2.2 Сканирующая электронно-лучевая литография………………….…..… 7.3 Основы рентгеновской литографии..………...…………………….…...… 7.4 Основные нелитографические методы в технологии микро- и наносистемной техники…………………………………………..………….… 7.4.1 Наноимпринтинг…………………………………………..………….….. 7.4.2 Методы, использующие сканирующие зонды…………..………….….. 7.4.3 Методы, основанные на волоконных технологиях…………..………… ЛИТЕРАТУРА………………………………………………..………………… II. ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ…………………………..………….…..……. III. РАЗДЕЛ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ………………………...………………… IV. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ………………………..…...………..…. 52 54 54 56 57 57 58 59 62 64 64 64 66 67 69 71 71 73 75 76 76 77 79 80 81 82 85 6 I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Введение Учебная дисциплина базируется на знаниях, полученных при изучении таких дисциплин как: «Математика», «Физика», «Физическая химия», «Технология материалов и компонентов электронной техники» и др. Знания и умения, полученные студентами при изучении данной дисциплины, необходимы для освоения последующих специальных дисциплин и дисциплин специализаций, таких как «Физика нано- и микросистем», «Информационные технологии нано- и микросистемной техники», «Техника наноконтроля». В результате изучения учебной дисциплины «Технологии нано- и микросистемной техники» Вы должны освоить: – базовые технологические процессы изготовления компонентов микро- и наносистемной техники; – литографические и нелитографические методы формирования поверхностных периодических наноструктур; – технологию самоорганизованных, имплантированных, наноразмерных структур в полупроводниках; - технологии нанокомпозитов и нанокерамики. 7 Раздел 1. Технологический процесс - основные понятия. Кремниевые подложки и их назначение 1.1 Технологический процесс - основные понятия. Основные технологические процессы производства изделий микро- и наносистемной техники. Под технологическим процессом понимается часть производственного процесса, во время которого происходит непосредственное, изменение состояния продукта производства (материала, детали, электронного прибора). Под производственным процессом понимается группа технологических процессов, участвующих в изготовлении продукта, группа заготовительных операций, процесс сборки, транспортировка. Технологии микро- и наносистемной техники базируются на технологиях микроэлектроники. К основным технологическим процессам производства изделий микроэлектроники относятся: 1) получение материалов; 2) подготовка материалов к операциям (очистка материалов, газов и воды); 3) перевод материалов в жидкую, газовую или ионно-плазменную фазу (испарение); 4) формирование пленок и покрытий из жидкой, газовой или ионно-плазменной фаз; 5) травление материалов; 6) литографические процессы; 7) формирование газовой среды, в которой проводится процесс. 8 1,2 - изготовление пластин из монокристаллического кремния; 3 – нанесение фоторезиста; 4 – фотолитография; 5,6,7,8 – легирование, окисление металлизация; 9 – тестирование, разрезание пластины на отдельные элементы. Рисунок 1.1 – Базовые технологические процессы микроэлектроники Типовой технологический процесс предполагает следующие операции: 1) составление последовательности технологических операций; 2) выбор оборудования и инструментов; 3) конструкторский анализ чертежей на технологичность, условие сборки, ремонтоспособность; 4) разработка маршрута обработки на отдельных видах оборудования; 5) анализ кадрового состава; 6) составление отчетных документов с соблюдением ГОСТ. Для организации и оптимизации технологического процесса большое значение имеет его технологический режим. Технологическим режимом называют совокупность основных факторов, влияющих на скорость процесса, выход и качество. Для большинства технологических процессов производства элементов микро- и наносистемной техники основными параметрами режима являются температура, давление, способ подвода и перемешивание реагентов и др. Параметры технологического режима определяют принципы конструирования соответствующих реакторов. Оптимальному значению 9 параметров технологического режима соответствуют максимальные производительность аппаратов и производительность труда персонала, обслуживающего процесс. По характеру протекания во времени технологические процессы подразделяют на периодические, непрерывные и комбинированные. Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. В периодических процессах конечный продукт выгружают полностью из аппарата или частично через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию исходных материалов и производственный цикл повторяется. Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Комбинированный процесс представляет собой любой непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно. Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. В связи с этим в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам. 1.2 Кремниевые подложки и их назначение. Особенности перехода с 300 мм на 450 мм кремниевые пластины В технологии МНТ подложки (рисунок 1.2) выполняют две функции: а) являются основанием, на поверхности или в приповерхностном слое которого по заданному топологическому рисунку формируют структуры, элементов МНТ (в том числе ИМС); б) являются элементом конструкции, обеспечивающим практическое применение элементов МНТ в корпусном или бескорпусном исполнении. 10 Рисунок 1.2 – Кремниевые подложки Подложки классифицируют как по структурным признакам, так и по назначению. По структурным признакам подложки подразделяют на аморфные, поликристаллические и монокристаллические, а по назначению - на подложки для полупроводниковых, пленочных, гибридных ИМС и микро- и наносборок. Монокристаллические пластины из кремния составляют основу для изготовления многих элементов НМТ, полупроводниковых ИМС различного конструктивно-технологического исполнения и функционального назначения. Подготовка пластин, получаемых из слитков монокристаллического кремния, является одним из важнейших этапов производства и включает в себя следующие операции: 1) ориентацию слитков по кристаллографическим осям; 2) резку слитков на пластины; 3) шлифование; 4) полирование; 5) травление 6) очистку поверхностей от загрязнений различных типов, приобретённых на предыдущих этапах обработки. При переходе с 300 мм на 450 мм кремниевые пластины, площадь кремниевой подложки увеличивается в целых 2.25 раза. Кроме того, можно разместить даже больше чипов, так как в окружность с большим радиусом прямоугольники вписываются с большей эффективностью. Говоря по- простому, если рисовать круг квадратиками, то круг будет тем «круглее», чем он больше или квадратики меньше. Возьмём к примеру ядро Tahiti XT (рисунок 11 1.3) с площадью 352 м , стоящего в основе видеокарт HD 7970. При условии что чипы квадратные, на 300 мм подложке удастся разместить около 160 чипов, а на 450 мм подложке уже 386. Что в 2.41 раза больше. Разумеется, прибавка будет варьироваться в зависимости от размеров чипа. а) б) Рисунок 1.3 – Ядро Tahiti XT: а – ядро Tahiti XT с 450 мм подложкой; б – ядроTahiti XT с 300 мм подложкой Технические трудности Вес выращенного кристалла увеличивается в 3 раза, до одной тонны. Возникает проблема при вертикальном подвешивании кристалла за узкое горлышко, толщиной в несколько мм, при процессе выращивания. Затравочный кристалл сам по себе не сможет выдержать вес 450 мм кристалла. Нужен дополнительный способ поддержания кристалла. Любая внешняя вибрация (например, землетрясение) способна вызвать изменение в пространственной решётке кристалла. Если такое происходит, кристалл приходится полностью переплавить и выращивание начинается с самого начала. Это отнимает значительное количество времени (до месяца) и тем самым увеличивает стоимость производства. Так, последствия землетрясения в Японии в 2011 году снизили мировой выпуск монокристаллов кремния на 24.5%. 12 Также кварцевые тигли для плавки поликристаллического кремния должны быть большими и должны выдерживать вдвое больше времени, требуемое для производства, чем используемые для выращивания 300 мм кристаллов. Если для выращивания 300 мм кристаллов используются тигли размером 81,3 см, то для 450 мм кристаллов необходимы тигли диаметром до 111 см. Чтобы выдерживать такое длительное время выращивания, качество тиглей должно быть также улучшено. Время на охлаждение может увеличиться до 4-х раз. Тепловое прошлое, во время производства кристалла, влияет на количество, размер и распределение дефектов в виде примесей. В отличие от смещений, такие дефекты обычно присутствуют. И хотя они не обязательно приводят к отбраковке кристалла, зато могут сказаться на работоспособности конечных чипов. Поэтому нужно точно контролировать процесс, чтобы минимизировать их появление. Из-за размеров 450 мм кристалла, охлаждаться он будет медленнее, что подвергает его большему перепаду температур и влияет на появление дефектов. Для этого необходим инновационный процесс охлаждения. 13 Раздел 2. Загрязнения подложек и методы очистки. Травление 2.1 Источники и виды загрязнений поверхности подложек и пластин Получить идеально чистую поверхность (без посторонних примесей) практически невозможно. Поэтому применяемое в технике понятие «чистая поверхность» имеет относительный характер. Технологически чистой считают поверхность, которая имеет концентрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров элементов НМТ. Для обеспечения эффективной очистки с целью получения технологически чистой поверхности пластин (подложек) необходимо знать источник и вид загрязнения, характер его поведения на поверхности, методы удаления. Основными источниками загрязнений поверхности пластин и подложек являются: 1) абразивные и клеящие материалы; 2) кремниевая пыль при механической обработке; 3) пыль в производственных помещениях; 4) предметы, с которыми соприкасаются пластины и подложки (оборудование, инструмент, оснастка, технологическая тара); 5) технологические среды; 6) органические и неорганические реагенты; 7) вода; 8) одежда и открытые участки тела операторов и др. Возможные загрязнения на поверхности пластин и подложек классифицируют по их физико-химическим свойствам, так как они определяют выбор методов удаления загрязнений. Наиболее распространенными являются загрязнения следующих видов: - физические загрязнения - пылинки, ворсинки, абразивные материалы, силикаты, кремниевая пыль и другие посторонние частицы, химически не связанные с поверхностью пластин и подложек. - загрязнения, химически связанные с поверхностью пластин и подложек - оксиды, нитриды и другие соединения. - органические загрязнения - неполярные жиры, масла, силиконы и другие неионные примеси. - растворимые в воде полярные загрязнения - соли, кислоты, остатки травителей, флюсы и пр. - газы, адсорбированные поверхностью пластин и подложек. 14 2.2 Классификация методов очистки пластин Для удаления загрязнений используют различные методы, на физических принципах которых разрабатывают процессы очистки. По механизму протекания процессов все методы очистки классифицируют на физические и химические, а по применяемым средствам - на жидкостные и сухие (рисунок 2.1). В основу каждого способа очистки положен один из трех методов удаления загрязнений с поверхности: 1) механическое удаление частиц загрязнителя потоком жидкости или газа; 2) растворение в воде; 3) химическая реакция. Рисунок 2.1 - Классификация способов очистки по применяемым средствам 2.2.1 Обезжиривание и промывание пластин Обезжиривание бывает физическим и химическим. Физическое обезжиривание основано на отрыве молекул жира от поверхности при ее взаимодействии с органическими растворителями. Отрыв вызывается собственными колебаниями молекул жира и притяжением их молекулами растворителя. Для этого пластины (подложки) погружают в резервуар (ванну) с 15 растворителем. После отрыва молекулы жира равномерно распределяются по всему объему ванны, что приводит к загрязнению растворителя и обратному процессу - адсорбции молекул жира очищенной поверхностью. Во избежание последнего требуется постоянное освежение растворителя. В качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый углерод, бензол, толуол, изопропиловый спирт, фреон и др., в которых эффективно растворяется большинство жировых загрязнений. Определяющими параметрами процесса являются температура и время. Растворимость жиров увеличивается с повышением температуры. Поэтому обезжиривание осуществляют в горячих или кипящих растворителях. Недостатки физического обезжиривания: многократная очистка, большой расход, высокая стоимость и токсичность большинства растворителей. Химическое обезжиривание основано на разрушении молекул жира растворителями, не воздействующими на материал пластины (подложки). Его отличительной особенностью является отсутствие вероятности повторного загрязнения пластин. Для химического обезжиривания кремниевых пластин наиболее часто применяют горячий (75-80°С) перекисно-аммиачный раствор (водный раствор смеси пергидроля и щелочи ), который удаляет все жиры. На различных этапах изготовления компонентов НМТ производят неоднократно промывание пластин и подложек. Для промывания применяют дистиллированную, бидистиллированную и деионизованную воду. Промывание обязательно производится после обезжиривания и травления. Его назначение - удаление остатков загрязнений, продуктов реакции и остатков реагентов. 2.2.2 Химическое и электрохимическое травление Процесс травления пластин состоит в растворении их поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами, кислотами, их смесями и солями). В результате удаляются приповерхностный слой и имеющиеся на поверхности загрязнения. Травление бывает химическим и электрохимическим. Процесс химического травления состоит из пяти стадий: 1) диффузии реагента к поверхности; 2) адсорбции реагента; 3) поверхностной химической реакции; 4) десорбции продуктов реакции; 5) диффузии продуктов реакции от поверхности. Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной 16 стадии. При травлении кремния контролирующими стадиями могут быть либо диффузия реагента к поверхности, либо поверхностная химическая реакция, что определяется видом травителя и энергией активации стадий процесса. Травители, для которых контролирующей стадией является диффузия, называются полирующими. Скорость травления в полирующих травителях определяется скоростью диффузии реагента и зависит от градиента его концентрации: где D - коэффициент диффузии реагента, зависящий от природы и энергии активации молекул реагента; и - концентрация реагента в объеме и на поверхности; - толщина приповерхностного слоя травителя, в котором существует градиент концентрации. При этом скорость травления нечувствительна к физическим и химическим неоднородностям поверхности, слабо зависит от температуры. Вследствие более высокого градиента концентрации выступы на поверхности травятся быстрее впадин. Поэтому полирующие травители хорошо сглаживают шероховатости, выравнивая микрорельеф. Типичными полирующими травителями для кремниевых пластин являются смеси азотной и фтористоводородной (плавиковой) кислот. Существуют две теории саморастворения кремния в травителях: химическая и электрохимическая. Согласно химической теории поверхностные химические реакции при полирующем травлении протекают в два этапа: окисление поверхностного слоя и перевод оксида в растворимую соль. Роль окислителя выполняет азотная кислота: Фтористо-водородная кислота является комплексообразователем, который переводит оксид кремния в тетрафторид: В соответствии с электрохимической теорией взаимодействие между полупроводником и травителем обусловлено тем, что на поверхности пластины 17 при погружении ее в травитель существуют анодные и катодные микроучастки, между которыми возникают локальные токи. На анодных участках происходит окисление кремния с последующим растворением оксида и образованием кремний-фтористоводородной кислоты, на катодных - восстановление окислителя (азотной кислоты). В процессе травления микроаноды и микрокатоды непрерывно меняются местами. Очистке поверхности полупроводниковых пластин путем их обработки в полирующих травителях предшествует обязательное обезжиривание поверхности. Для ряда травителей энергия активации химической реакции на порядок и более превышает энергию активации, определяющую скорость диффузии реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью химической реакции: где и - концентрации реагирующих веществ; R – универсальная газовая постоянная; а и b – показатели, численно равные коэффициентам в уравнении химической реакции. Поскольку энергия активации химической реакции зависит от неоднородности поверхности, скорость травления чувствительна к состоянию поверхности. Так как различные кристаллографические плоскости структуры кремния имеют разное значение энергия активации химической реакции, то скорость травления зависит от ориентации пластин, а также от температуры. Травители, для которых контролирующей стадией является химическая реакция, называются селективными. В качестве селективных травителей пластин кремния используют водные растворы щелочей (например, NaOH, КОН). Для селективных травителей характерная разница скоростей травления в различных кристаллографических направлениях достигает одного порядка и более. Так, для щелочных травителей изменение скорости травления соответствует схеме (100)>(110)>(111). Травление с большой разницей скоростей травления в различных кристаллографических направлениях называют анизотропным. Электрохимическое травление основано на химических превращениях, которые происходят при электролизе. Для этого полупроводниковую пластину (анод) и металлический электрод (катод) помещают в электролит, через 18 который пропускают электрический ток. Процесс является окислительно- восстановительной реакцией, состоящей из анодного окисления (растворения) и катодного восстановления. Кинетика анодного растворения определяется концентрацией дырок, генерируемых на поверхности полупроводниковой пластины. Электрохимическое травление кремниевых пластин производят в растворах, содержащих плавиковую кислоту, при возрастающей плотности тока (рис.2.2.). Рисунок 2.2 - Ячейка для травления кремниевой пластинки в растворе плавиковой кислоты ( HF ) 2.2.3 Способы интенсификации процессов жидкостной очистки Для ускорения наиболее медленных стадий процессов очистки с целью повышения качества очистки и производительности процессов используют различные способы их интенсификации, которые достигаются применением физических, химических и комбинированных средств. К физическим средствам относятся нагрев, кипячение, вибрация, обработка струёй, гидроциркуляцией, протоком, гидромеханическая обработка, центрифугирование, ультразвуковая обработка. К химическим средствам относятся поверхностно-активные вещества, комплексообразователи, катализаторы. Комбинированные средства основаны на использовании физических и химических средств. 19 Наиболее распространенными и эффективными способами жидкостной обработки в промышленных условиях являются ультразвуковая очистка в растворителях (рисунок 2.3), химико-динамическое травление (рисунок 2.4), анодно-механическое травление (рисунок 2.5). 1 - пластины кремния; 2 - ванна с водой (эмульсией); 3 - блок вибрации; 4 - генератор. Рисунок 2.3 - Установка ультразвуковой очистки кремния 1 – привод; 2 – барабан; 3 – травитель; 4 – кремниевые пластины; 20 5 – диск. Рисунок 2.4 - Установка химико-динамического травления 1 – лампа; 2 – электролит; 3 – пластины кремния; 4 – анод; 5 – катодный диск. Рисунок 2.5 – Установка анодно-механического травления При ультразвуковой очистке механические вибрации способствуют перемешиванию растворителя и тем самым ускоряют процесс. Принцип химико-динамического травления заключается в интенсивном перемешивании травителя непосредственно над поверхностью пластин. При вращении приводом 1 фторопластового барабана 2 травитель 3 омывает пластины 4, закрепленные на специальном диске 5, чем достигается хорошее перемешивание травителя и равномерное травление (рис.2.3). В основу анодно-механического травления положено электрохимическое травление, сопровождаемое механическим воздействием. Электролит 2 подается на освещенные мощной лампой 1 (для генерации дырок) пластины 3, которые предварительно закрепляются на аноде 4, и соприкасаются с вращающимся катодным диском 5, содержащим радиальные канавки. При этом скорость электрополировки достигает 400нм/с. Особый интерес с точки зрения производительности и качества очистки представляет способ, основанный на возникновении кавитации в пограничном слое очищаемой поверхности. Условия кавитации создают механическим путем (центрифугированием), а в 21 качестве растворителя используют дистиллированную воду с растворенным кислородом. 2.2.4 Методы сухой очистки Термообработка Сущность термообработки состоит в нагреве пластины или подложки до температуры, при которой происходят: 1) удаление адсорбированных поверхностью загрязнений, 2) разложение поверхностных загрязнений 3) испарение летучих соединений. Отжиг осуществляют в вакуумных установках непосредственно перед проведением основных операций. Эффективность очистки зависит от температуры, максимальное значение которой ограничено температурой плавления очищаемых материалов и процессами диффузии примесей. Газовое травление Сущность газового травления заключается в химическом взаимодействии материала пластин с газообразными веществами и образовании при этом легко улетучиваемых соединений. В процессе газового травления загрязнения удаляются вместе со стравливаемым приповерхностным слоем пластин. Газовое травление как метод окончательной очистки применяют в первую очередь непосредственно перед теми технологическими процессами, в которых определяющую роль играет структура поверхностного слоя (например, перед эпитаксиальным наращиванием). В качестве травителей используют смеси водорода или гелия с галогенами (фтор, хлор, бром), галогеноводородами (HBr, HCl), сероводородом. Молярное содержание этих веществ в водороде или гелии может изменяться от десятых долей процента до единиц процентов. Очистку осуществляют при температурах 800-1300°С в установках термического окисления либо непосредственно в реакторах эпитаксиального наращивания. Наибольшее распространение получило травление кремниевых пластин хлористым водородом при температурах 1150-1250°С, при этом происходит реакция: 22 Скорость травления зависит от температуры и концентрации HCl в водороде. Аналогично происходит травление кремния в HBr. Травление кремния в парах сероводорода происходит по реакции: При этом получаются большие скорости травления (до 15 мкм/мин). Недостаток - сероводород токсичен. Гексафторид серы не токсичен и обеспечивает хорошее качество поверхности при травлении кремния. Травление кремния сопровождается реакцией: Газовое травление обеспечивает получение более чистых поверхностей по сравнению с жидкостной, обработкой. Однако его применение ограничено из-за высоких температур процессов и необходимости использования газов особой чистоты. Ионное и плазмохимическое травление Ионное травление - процесс удаления загрязнений вместе с распыляемым в вакууме поверхностным слоем обрабатываемой поверхности при ее бомбардировке ускоренными ионами инертного газа. Если во время столкновения энергия, передаваемая атому, превышает энергию химической связи атома в решетке, а импульс, сообщаемый атому, направлен наружу от поверхности, то происходит смещение атомов, их отрыв от поверхности - распыление. Для реализации этого процесса требуются определенные вакуумные условия, а ионы должны обладать определенными значениями энергий, достаточными для распыления материалов. Разновидностью ионного травления является ионно-химическое (реактивное) травление, основанное на введении в плазму химически активного газа, обычно кислорода. При этом изменяется скорость травления вследствие химического взаимодействия между подложкой и добавленным газом. В отличие от ионного плазмохимическое травление основано на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, 23 образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности пластин или подложек. При этом молекулы газа в разряде распадаются на реакционно- способные частицы - электроны, ионы и свободные радикалы, химически взаимодействующие с травящейся поверхностью. В результате химических реакций образуются летучие соединения. Для травления кремния и его соединений (оксида и нитрида кремния) наиболее часто используют высокочастотную плазму тетрафторида углерода C . При взаимодействии с электронами плазмы происходит следующая реакция: Ионы фтора, а в ряде случаев и радикал C активно взаимодействуют с кремнием, образуя летучее соединение Si . Уравнения, характеризующие химические реакции травления кремния, оксида и нитрида кремния в плазме , имеют вид: Концентрация обуславливается скоростью генерации атомов, что определяется конструкцией и мощностью реактора, а также временем жизни частиц в реакторе, которое зависит от скорости газового потока, давления и условной рекомбинации частиц. Характерно, что частицы, участвующие в травлении, травят различные материалы с разной скоростью. На этом основано свойство плазмохимического травления. Скорость травления определяется концентрацией атомов фтора и постоянной скорости химической реакции : 2.2.5 Виды загрязнений и способы их удаления 24 Таблица 2.1 – Виды загрязнений и способы очистки Виды загрязнений Способы очистки Физические включения (пылинки, пух, небольшие частицы полупроводника, металла, абразива) Растворение и одновременное ультразвуковое перемешивание Загрязнения ионами (остатки кислот, осадки, получаемые при электролитическом покрытии, ионы металлов) Промывка в деионизированной или дистиллированной воде до установления постоянного сопротивления. Промывка в кислотах для удаления адсорбированных ионов. Ионная очистка Минеральные жиры и органические материалы Ультразвуковая промывка в нагретом органическом растворителе. Ионная очистка Сложные химические включения (полярный органический материал, окислы, сернистые соединения) Травление кислотами. Промывка кремниевых пластин в метиловом спирте Загрязнения парами Ионная очистка. Вакуумный отжиг. Термическое травление. Обработка в кислотах 25 Раздел 3. Основные базовые технологические процессы технологии микро- и наносиcтемной техники 3.1 Сущность базовых технологических процессов Термическая диффузия примесей: внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости (рисунки 3.1,3.2) Подложка n типа Область с измененным типом проводимости n SiO2 или Si3N4 Xперp t=1000 C p Рисунок 3.1 – Термическая диффузия примесей Nисх(n) Xпер N X Концентрации равны Концентрация акцепторов больше Рисунок 3.2 – Профиль распределения примесей при диффузии 26 Ионное легирование: внедрение примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей (рисунок 3.3 и 3.4). Подложка n типа Область с измененным типом проводимости n SiO2 или Si3N4 p Ионы акцепторов SiO2 или Si3N4 Рисунок 3.4 – Ионное легирование Nисх(n) N X Концентрации ровны Концентрация акцепторов больше Nмакс Рисунок 3.5 – Профиль распределения примесей при ионное легировании Эпитаксия: процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую пластину, при котором получают пленку, продолжающую структуру пластины (рисунок 3.6). 27 Подложка Осажденный атомарный кремний n n+ Si Si Рисунок 3.6 – Эпитаксия Термическое окисление: процесс, позволяющий получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния (рисунок 3.7) Подложка Пленка диоксида кремния SiO2 n+ Si Рисунок 3.7 – Термическое окисление Травление: процесс удаления поверхностного слоя не механическим, а химическим путем (рисунок 3.8). Подложка Травитель n+ Si Рисунок 3.8 –Травление Нанесение тонких пленок: процесс создания проводников соединений, резисторов, конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. 28 Металлизация: нанесение на кремниевую пластину сплошной металлической пленки. Фотолитография: процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для легирования, травления, окисления, напыления и других операций (рисунок 3.9). Рисунок 3.9 - фотолитография 3.2 Последовательность формирования диффузионно-планарной структуры В целом последовательность формирования диффузионно-планарной структуры имеет следующий вид: 29 Рисунок 3.10 - Последовательность формирования диффузионно- планарной структуры 30 Раздел 4. Основы базовых технологических процессов. Травление, эпитаксия, термическое окисление, диффузия и ионная имплантация 4.1 Эпитаксия Термин эпитаксия означает наращивание кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические подложки или друг на друга. Монокристаллическая подложка в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла. Гомоэпитаксия — это наращивание монокристаллической пленки на подложку из того же вещества, что и пленка. Гетероэпитаксия — это наращивание пленки на инородную подложку. Эпитаксия легко осуществляется, если различие постоянных решёток не превышает 10 %. При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотноупакованные плоскости и направления. При этом часть плоскостей одной из решёток не имеет продолжения в другой; края таких оборванных плоскостей образуют дислокации несоответствия (рисунок 4.1). Рисунок 4.1 – Схема возникновения дислокаций несоответствия 31 4.1.1 Эпитаксия из газовой фазы Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiC , трихлорсилан - SiHC , дихлорсилан - Si C и силан - Si ) и водород. Хлоридный метод: При использовании в качестве источника тетрахлорида кремния суммарная реакция может быть записана в виде: Скорость роста слоя — 0,1-2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе. Силановый метод: Разложение происходит при t=1050 °C, что, по сравнению с хлоридным методом, замедляет диффузию и уменьшает вредный эффект автолегирования. Благодаря этому, данным методом удаётся получать более резкие переходы между слоями. Технология проведения: Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах (рисунок 4.2) вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750—1200 °C (в зависимости от способа осаждения, скорости процесса и давления в реакторе). Разогрев подложек осуществляется инфракрасным излучением, индукционным или резистивным способом. Понижение температуры процесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированию поликристаллического слоя. 32 1 – держатель; 2 – кремниевая пластина; 3 – плёнка. Рисунок 4.2 – Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса меньше критического значения. Re = D v = 2000, где D – диаметр трубы реактора, v – скорость течения газа, r – плотность газа, h – коэффициент вязкости газа. При конструировании реактора необходимо учитывать, что по мере продвижения вглубь трубы скорость движения газа в пристеночной области шириной y падает, а температура соответственно растет: 33 Рисунок 4.3 - Образование приграничного слоя в горизонтальном реакторе Это и определяет скорость реакции на поверхности, поскольку именно через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют в обратном направлении, удаляясь затем основным потоком газа. Поток реагентов J от поверхности подложки или обратно задается уравнением: где и - концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности соответственно, D - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией давления и температуры, J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее через единицу площади за единицу времени, - градиент концентрации реагентов. 34 4.1.2 Жидкофазная эпитаксия Эпитаксия из жидкой фазы в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, таких как GaAs, CdSn ; также является основным способом получения монокристаллического кремния. Готовится шихта из вещества наращиваемого слоя, легирующей примеси (может быть подана и в виде газа) и металла-растворителя, имеющего низкую температуру плавления и хорошо растворяющий материал подложки (Ga, Sn, Pb). Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановления оксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме (предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхность подложки, частично растворяя её и удаляя загрязнения и дефекты. После выдержки при максимальной температуре ≈ 1000 С начинается медленное охлаждение. Расплав из насыщенного состояния переходит в пересыщенное и избытки полупроводника осаждаются на подложку, играющую роль затравки. В современной промышленности данный метод не используется, ввиду сложности контроля параметров получаемых пленок (толщина, однородность толщины, значение стехиометрического коэффициента), их относительно низкого качества, малой производительности метода. Однако, для некоторых экзотических полупроводниковых соединений на данный момент является единственно возможной, и остается вопросом лабораторных исследований. 4.1.3 Молекулярно – лучевая эпитаксия (МЛЭ) Молекулярно – лучевая эпитаксия (МЛЭ) - эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. В установках МЛЭ имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью. Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок делятся на прямые и непрямые. 1) Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки; 2) Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно 35 попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии; В основе метода лежит осаждение испаренного в молекулярном источнике вещества на кристаллическую подложку. Несмотря на простую идею, реализация данной технологии требует сложных технических решений. Основные требования к установке эпитаксии (рисунок 1.30) следующие: 1) В рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум (около 10−8 Па); 2) Чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999 %; 3) Необходим молекулярный источник, способный испарять тугоплавкие вещества (такие как металлы) с возможностью регулировки плотности потока вещества. Особенностью эпитаксии является невысокая скорость роста пленки (обычно менее 1000 нм в час). Устройство установки молекулярно–пучковой эпитаксии 1. Вакуумная камера. Камера создаётся из нержавеющего сплава высокой чистоты. Для обеспечения вакуума в камере, перед работой ее прогревают до высоких температур. При этом происходит дегазация поверхности. В современных установках могут использоваться несколько соединенных единой транспортной системой камер: 1) Рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры; 2) Загрузочная камера, выполняющая роль шлюза между рабочей камерой и атмосферой; 3) Исследовательская камера с приборами. 2. Насосы. Форвакуумный насос — производит начальное откачивание газа из установки (до давления около 0,5 Па). Абсорбционный насос — использует материалы с развитой поверхностью (например, порошок цеолита), которые при сильном охлаждении (жидким азотом) вбирают в себя часть газа из установки. Магниторазрядный насос — откачка этим насосом производится благодаря наличию в нем распыляемых титановых электродов. Распыленный титан переосаждается на рабочую поверхность насоса, образуя пленку, которая «прикрывает» попавший на поверхность газ. Используется для достижения сверхвысокого вакуума. 3. Манипулятор. 36 Манипулятор (подложкодержатель) используется для крепления подложки, её вращения и нагревания. Встроенный в манипулятор нагреватель обеспечивает предварительный прогрев образца для очистки его от грязи и сгона защитногослоя окисла. Во время работы нагреватель поддерживает постоянную температуру подложки, при которой происходит миграция адсорбированных аомов (адатомов) осаждаемого вещества по поверхности (диффузия). Тем самым обеспечивается процесс самосборки, то есть формирования атомарно гладких монослоев. 4. Молекулярные источники Для испарения необходимых для роста веществ используются молекулярные источники. Они состоят из следующих элементов: 1) Тигель из тугоплавкого материала (чистый нитрид бора или графит). От формы тигля зависит форма и однородность молекулярного пучка; 2) Нагреватель (намотанная вокруг тигля спираль). Температура нагрева достигает 1900 K; 3) Термопара для измерения температуры тигля. От температуры зависит плотность потока вещества в пучке; 4) Заслонка перед тиглем. С ее помощью можно резко выключать пучок для формирования четких гетерограниц в образце. Испаренное в тигле вещество в виде пучка попадает на подложку. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы вещества распространяются практически по прямой не испытывая соударения с молекулами газа (то есть длина свободного пробега молекул больше расстояния от источника до подложки). В случае использования тугоплавких материалов или веществ с высокой химической активностью используется автотигельный метод испарения. Электронный пучок попадает в вещество и расплавляет небольшой участок. Таким образом вещество само является тиглем. Современные устройства контроля электронного пучка позволяют изменять его направление, фокус, интенсивность и другие параметры с целью получить равномерный атомарный пучок или повысить эффективность расхода материала. 5. Криопанели и системы контроля параметров роста Для улучшения вакуума и вымораживания не попавших на подложку молекул испаряемого вещества вокруг манипулятора установлены криопанели — емкости, заполненные жидким азотом. Также они используются для разделения молекулярных источников друг от друга по температуре. 6.Вакууметры для измерения давления в камере 7. Масс-спектрометр для контроля состава молекулярного пучка, состава 37 атмосферы и давления в камере 8. Термопары для измерения температуры образца, тиглей источников 9. Оборудование для исследования на основе дифракции отраженных электронов (in-situ метод). 1- экран; 2 - основа с водяным охлаждением; 3 - нить накала источника; 4 - электронный пучок; 5 - электростатический экран (-V); 6 - твердый кремний; 7 - расплавленный кремний; 8 - пары кремния; 9 - держатель подложки; 10 – кремниевая подложка; 11 - нить подогрева подложки; 12 - электронный пучок. Рисунок 4.4 - Схема реактора для МЛЭ кремния Механизм МЛЭ При соответствующих условиях осаждения атомы кремния, двигаясь по нагретой поверхности, занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки. Иными словами эпитаксиальное наращивание состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности (рисунок 4.5). Процесс эпитаксиального наращивания на поверхности пластины происходит в следующей последовательности: 1) массопередача вступающих в реакцию молекул посредством диффузии из потока через граничный слой к поверхности кремния; 2) адсорбция молекул поверхностью; 3) процесс реакции на поверхности; 4) десорбция продуктов реакции; 5) массопередача молекул продуктов реакции посредством диффузии через граничный слой к основному потоку газа; 38 6) упорядочение адсорбированных атомов кремния в решетке. Рисунок 4.5 – Эпитаксиальное наращивание Энергия активации процесса равна приблизительно 5 эВ и соответствует энергии активации самодиффузии кремния. Попытка увеличения скорости роста пленки выше оптимального значения, зависящего от температуры, приводит к росту поликристаллической пленки (уменьшается время поверхностной миграции и происходит встраивание кремния в произвольные, а не только кристаллографически благоприятные места). Для легирования кремния используются гидриды примесных элементов (арсин As , диборан , фосфин ). Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении: 1) адсорбция мышьяка на поверхности; 2) диссоциация молекулы; 3) встраивание мышьяка в растущий слой. Для легирования GaAs используются следующие примеси: 39 Рисунок 4.6 - Схема установки молекулярно-лучевой эпитаксии арсенида галлия с легированием При эпитаксии возникают различные виды дефектов, которые отражены на рис.4.7. 40 1 - линейная дислокация, проросшая в эпитаксиальный слой; 2 - дефекты, зарождающиеся на примесных преципитатах, расположенных на поверхности подложки; 3 - примесные преципитаты, возникшие во время роста эпитаксиального слоя; 4 - бугорки на поверхности, возникающие из-за неудовлетворительных условий процесса или плохого исходного состояния поверхности; 5 - дефекты упаковки, проросшие в эпитаксиальный слой. Рисунок 4.7 – Дефекты эпитаксиальных плёнок МЛЭ позволяет получать следующие структуры с пониженной размерностью: 1) 0-мерные: квантовые точки; 2) 1-мерные: квантовые нити (также называемые «квантовыми проволоками»); 3) 2-мерные: квантовые ямы, сверхрешётки, плоские волноводы. К примеру, используя селективный рост, можно вырастить нанопроволоку на краю подложки с заранее выращенной гетероструктурой. Основное преимущество метода — возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов. К недостаткам метода можно отнести высокую цену оборудования и исходных материалов, малую скорость роста, сложность поддержания высокого вакуума. 4.2 Термическое окисление Окисление кремния — один из самых характерных процессов в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния 41 выполняет несколько важных функций, в том числе: 1) функцию защиты — пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков-переходов, выходящих на поверхность (рисунок 4.8 а); 2) функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рисунок 4.8 б); 3) функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзистора (рисунок 4.8 в). a) б) в) Рисунок 4.8 – Функции диоксида кремния Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком малую толщину (около 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из перечисленных функций. Поэтому в технологии ИС пленки получают искусственным путем. Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000— 1200 °С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Через трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне. Получаемая таким образом пленка имеет аморфную структуру. Механизм окисления имеет два варианта. Первый вариант состоит из следующих этапов: 1) диффузия атомов кремния через уже имеющуюся пленку окисла к поверхности; 2) адсорбция молекул кислорода поверхностью из газовой фазы; 42 3) собственно окисление, т. е. химическая реакция. В этом случае пленка нарастает над исходной поверхностью кремния. Второй вариант состоит из следующих этапов: 1) адсорбция кислорода поверхностью уже имеющегося окисла; 2) диффузия кислорода через окисел к еще не окисленному кремнию; 3) собственно окисление. В этом случае пленка нарастает вглубь от исходной поверхности кремния. На практике оба механизма сочетаются, но главную роль обычно играет второй. Скорость роста окисла со временем убывает, так как новым атомам кислорода приходится диффундировать через все более толстый слой окисла. При влажном окислении кислород предварительно пропускают через сосуд с водой. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000 °С требуется около 5 ч., а во влажном — всего 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100 °С время окисления возрастает в 2—3 раза. В технологии ИС различают «толстые» и «тонкие» окислы . Толстые окислы (d=0,7—0,8 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d=0,1—0,2 мкм) — функции подзатворного диэлектрика в МОП— транзисторах. Одной из важных проблем при выращивании пленки является обеспечение ее однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро— и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле). Качество окисной пленки повышается с уменьшением температуры ее выращивания, а также при использовании сухого кислорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП—транзистора, получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса (рисунок 4.9). 43 Рисунок 4.9 – Схема оборудования для термического окисления Важнейший параметр при осаждении SiO2 - воспроизводимость рельефа: 1) Конформное воспроизведение. Толщина пленки на стенках ступеньки не отличается от толщины на дне и поверхности. Обусловлено быстрой поверхностной миграцией (рисунок 4.10а). 2) Неконформное воспроизведение при отсутствии поверхностных миграций и больших значениях величины среднего пробега молекулы в газе(рисунок 4.10б). 3) Неконформное воспроизведение при отсутствии поверхностных миграций и малых значениях величины среднего пробега молекулы в газе (по сравнению с размерами ступеньки) (рисунок 4.10в). а) б) в) Рисунок 4.10 – Воспроизводимость рельефа 44 4.3. Ионная имплантация и диффузия примесей Для понимания процесса ионной имплантации необходимо изучить виды взаимодействий ионов с твёрдым телом и ионное каналирование. Взаимодействие ионов высоких энергий с поверхностью твёрдого тела представлено на рис.4.11. Рисунок 4.11 – Виды взаимодействий ионов с твёрдым телом Ионное каналирование. Эффект каналирования наблюдается при попадании иона в свободное пространство между рядами атомов. В результате этого ион продвигается на значительные расстояния. Такой ион постепенно теряет энергию за счет слабых скользящих столкновений со стенками канала и, в конце концов, покидает эту область. Расстояние, проходимое ионом в канале, может в несколько раз превышать длину пробега иона в аморфной мишени. Эффект каналирования характеризуется наличием "хвостов" концентрации атомов (рисунок 4.12). Попытки устранения эффекта каналирования путем ориентации кремниевой монокристаллической подложки в наиболее плотно упакованных направлениях 45 сводят его к минимуму, но не исключают полностью. Были сделаны попытки практического использования эффекта каналирования при имплантации примеси на большую глубину. Однако в этом случае значительно затруднены управление профилем распределения имплантируемой примеси и получение воспроизводимых результатов из-за очень высоких требований к точности разориентации ионного пучка относительно основных кристаллографических направлений в подложке. Рисунок 4.12– Эффект каналирования 4.3.1 Ионная имплантация. Профили распределения примеси при ионной имплантации. Дефекты при ионной имплантации и способы их устранения. Ионной имплантацией (ионным легированием) называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов. Общая траектория движения иона называется длиной пробега R, а 46 расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении, перпендикулярном к поверхности мишени, проецированной длиной пробега Rp. Применение ионной имплантации. 1. Создание мелких переходов Требование формирования n+ слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ. Одной из прогрессивных тенденций развитии СБИС является создание КМОП- транзисторов. В связи с этим большое значение имеет получение мелких p+ - слоев. Такие слои очень сложно сформировать путем имплантации ионов В+. Решение проблемы, связанной с имплантацией бора на небольшую глубину, на практике облегчается использованием в качестве имплантируемых частиц ВF2. Диссоциация молекулы ВF 2+ при первом ядерном столкновении приводит к образованию низкоэнергетических атомов бора. Кроме того, использование молекулы ВF2 имеет преимущество при проведении процесса отжига структур. 1 - источник ионов; 2 - масс-спектрометр; 3 – диафрагма; 4 - источник высокого напряжения;5 - ускоряющая трубка; 6 – линзы; 7 - источник питания линз; 8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча; 9 - система отклонения луча по горизонтали; 10 - мишень для поглощения нейтральных частиц; 11 – подложка. Рисунок 4.13 – Схема установки для ионной имплантации 47 Геттерирование — процесс связывания в нейтральные ассоциации подвижных, нежелательных примесей и дефектов на границах раздела, образованных внешней поверхностью. Процесс геттерирования основан на трех физических эффектах: 1) освобождение примесей или разложение протяженных дефектов на составные части 2) диффузия примесей или составных частей дислокаций 3) поглощении примесей или собственных межузельных атомов некоторым стоком Рисунок 4.14 - Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий в кремний Радиационные дефекты При внедрении ионов в кремниевую кристаллическую подложку они подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако, только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов кремния. Тяжелые ионы смещают большое количество атомов мишени из узлов кристаллической решетки вблизи поверхности подложки. Вводимые в процессе ионной имплантации дефекты состоят из вакансий и междоузельных атомов. При нагреве мишени пучком ионов в процессе имплантации до температуры выше 500 °С будут образовываться дислокации. Легкие ионы 11B испытывают в основном электронное торможение. Тяжелые ионы 31P или 75As тормозятся атомами кремния. В зависимости от энергии переданной атому кремния (DE) различают следующие случаи (Ed - 48 энергия смещения атома): 1) DE Ed - смещения атома не происходит; 2) DE Ed - образуются простые точечные дефекты; 3) DE Ed - формирование стабильных дефектов и вторичные перемещения атомов; 4) DE Ed - образуются кластеры дефектов. Количество атомов примеси замещающих атомы кремния соответствует точно количеству падающих ионов после их торможения в подложке. Однако радиационные дефекты создают большее число энергетических состояний с глубокими уровнями, чем количество имплантируемых атомов, если не производить отжига структур после имплантации. Параметры процесса отжига определяются дозой и видом имплантированных ионов: 1) Изохорный отжиг структур; 2) Изотермический отжиг; 3) БТО (Имплантированные слои подвергают лазерному или электронному отжигу с плотностью энергии в диапазоне 1-10 Дж/см2. Вследствие короткого времени нагрева имплантированные слои могут быть термообработаны без заметной диффузии примеси. Имплантированные аморфные слои толщиной 100 нм перекристаллизуются в течение нескольких секунд при Т= 800 °С по механизму твердофазной эпитаксии.). 4.3.2 Термическая диффузия примесей При рассмотрении диффузионных процессов следует выделить два класса задач: первый - построение профилей распределения примесей и второй - определение геометрических размеров легированных областей (глубин залегания) при заданных технологических режимах процесса диффузии. Задачи технологического этапа диффузии: управление концентрацией легирующей примеси в подложке, обеспечение однородности легирования, обеспечение воспроизводимости процесса, увеличение числа подложек, подвергаемых одновременному легированию, для снижения себестоимости продукции. Назначение диффузии: формирование базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии, создание областей истока и стока в МОП технологии, для легирования поликристаллического кремния. 49 В качестве легирующих примесей для кремния используют элементы 3 и 5 групп. Для кремния это бор (В), создающий области р-типа. Фосфор, мышьяк и сурьма - донорные примеси, создающие n-области. Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные. Несмотря на токсичность, наибольшее распространение получили газообразные источники вследствие возможности точной дозировки. Источниками бора служат газообразные галогениды бора. Источниками фосфора служат РСl3, PH3 и др. В последнее время в качестве источников примеси используются пластины из материалов, содержащих легирующую примесь. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводником, и нагревают в потоке рабочего газа (кислорода или азота). Результаты процесса диффузии можно проконтролировать измерением глубины p-n перехода и поверхностного сопротивления диффузионного слоя. Глубину p-n перехода обычно определяют химическим окрашиванием отшлифованного под небольшим 1-5 углом образца в смеси 100 мл плавиковой кислоты (49%) и нескольких капель азотной кислоты. Если образец, обработанный в этом растворе, выдержать на ярком свете 1-2 минуты, то область p - типа будет выглядеть темнее по сравнению с областью n - типа проводимости. С помощью интерферометра глубина p-n перехода может быть измерена с высокой точностью в пределах от 0.5 до 100 мкм. Величину поверхностного сопротивления диффузионного слоя Rs можно измерить четырехзондовым методом, рассчитав ее по формуле: Rs=C·U/I, где V - измеренная величина постоянного напряжения, I - величина постоянного тока, C - коэффициент коррекции, зависящий от геометрии образца и расстояния между электродами. Его величина изменяется от 1 до 4.5. 50 Раздел 5. Основные технологии напыления тонких пленок Нет оптимального метода получения тонких пленок. Выбор метода зависит от: -типа требуемой пленки, -от ограничений в выборе подложек -в случае многократного осаждения - от общей совместимости различных процессов, протекающих при применении этого метода. 5.1 Термовакуумное напыление Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. Достоинства: высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничения: нерегулируемая скорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц. Суть метода термовакуумного напыления можно пояснить с помощью упрощенной схемы установки, представленной на рис.5.1. Рисунок 5.1 - Схема установки термовакуумного испарения 51 Напыляемое вещество помещают в испаритель 1. В вакууме, который создается внутри камеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно распространяются, достигая, поверхности подложки 2. Если температура подложки не превышает критического значения, происходит конденсация вещества на подложке. На начальном этапе испарения во избежание загрязнения пленки за счет примесей, адсорбированных поверхностью испаряемого вещества, а также для вывода испарителя на рабочую температуру используется заслонка 4, временно перекрывающая поток вещества на подложку. В процессе осаждения контролируется время напыления, толщина, электрическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданного значения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества и процесс роста пленки прекращается. Нагрев подложки с помощью нагревателя 3 перед напылением способствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессе осаждения создает условия для улучшения структуры растущей пленки. Непрерывно работающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10-4 Па. 5.2. Катодное распыление Конструкция установки для катодного распыления, изображенной на рис. 2, состоит из газоразрядной камеры 1, в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 - 10 Па; катода 2, выполняющего функцию распыляемой мишени; анода 3 и закрепленной на ней подложки 4. Между анодом и катодом подается постоянное напряжение величиной несколько киловольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространстве электрического поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, а отрицательное напряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключить загрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6. 52 Рисунок 5.2 - Схема установки для катодного распыления Электрическое поле, существующее между катодом и анодом, ускоряет электроны. Если энергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то в результате столкновения электронов с молекулами газа возникает газовый разряд.Однако, если длина свободного пробега электронов становится сравнимой с расстоянием между катодом и анодом, то основная часть электронов будет пролетать межэлектродное пространство без столкновений с молекулами рабочего газа. Газоразрядная плазма погаснет. Эти два фактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере. 5.3 Трехэлектродная система распыления Для повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс ионно- плазменного распыления необходимо проводить при как можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, как уже отмечалось ранее, понижение давления приводит к тому, что при большой длине свободного пробега электронов вероятность их столкновения с атомами рабочего газа становится ничтожно малой, и газовый разряд гаснет. Поэтому для поддержания разряда в камере и обеспечения распыления мишени при низких давлениях необходимы специальные меры. 53 Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень; 4 – подложка; 5 – подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт. Рисунок 5.3 - Трехэлектродная система распыления По достижении в камере вакуума порядка10-4 Па термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 - 1 Па. В результате термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результате бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку. Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разряда и распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в 54 несколько раз превышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодного распыления. 5.4 Реактивное распыление При реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуется пленка из химического соединения, образованного атомами мишени и активного газа. Если, например, мишень изготовлена из алюминия, а в качестве активного газа используется кислород, то на подложке получается пленка из оксида алюминия, если же в камеру добавляется азот, то получится пленка из нитрида алюминия. Использовать реактивное распыление взамен непосредственного распыления мишени из химического соединения целесообразно тогда, когда коэффициент распыления данного химического соединения (оксида, нитрида и так далее) низкий, либо тогда, когда технологически трудно изготовить массивную мишень из этого соединения. Кроме того, реактивное распыление создает условия для гибкого управления свойствами пленок при создании многослойных структур (например, пленочных конденсаторов). 5.5 Магнетронное распыление Стремление снизить давление рабочего газа в камере и увеличить скорость распыления мишеней привело к созданию метода магнетронного распыления. Один из возможных вариантов схем магнетронного распылителя представлен на рис. 5.4. Отличительной особенностью магнетронного распылителя является наличие двух скрещенных полей – электрического и магнитного. Если из мишени-катода будет испускаться электрон, то траектория его движения будет определяться действием на него этих полей. Под воздействием электрического поля электрон начнет двигаться к аноду. Действие магнитного поля на движущийся заряд приведет к возникновению силы Лоренца, направленной перпендикулярно скорости. Суммарное действие этих сил приведет к тому, что в результате электрон будет двигаться параллельно поверхности мишени по сложной замкнутой траектории, близкой к циклоиде.. Электрон будут двигаться по ней до тех пор, пока не произойдет несколько столкновений его с атомами рабочего газа, в результате которых произойдет их 55 ионизация, а сам электрон, потеряв скорость, переместиться за счет диффузии к аноду. Рисунок 5.4 - Схема установки для магнетронного распыления 1 – мишень, одновременно являющаяся катодом распылительной системы; 2 – постоянный магнит, создающий магнитное поле, силовые линии которого параллельны поверхности мишени; 3 – кольцевой анод. Выше анода располагается подложка (на рисунке не показана), на которой формируется пленка из материала мишени. Таким образом, замкнутый характер траектории движения электрона резко увеличивает вероятность его столкновения с атомами рабочего газа. Это означает, что газоразрядная плазма может образовываться при значительно более низких давлениях, чем в методе катодного распыления. Значит и пленки, полученные методом магнетронного распыления, будут более чистыми. Другое важное преимущество магнетронных систем обусловлено тем, что ионизация газа происходит непосредственно вблизи поверхности мишени. Газоразрядная плазма локализована вблизи мишени, а не "размазана" в межэлектродном пространстве, как в методе катодного распыления. В результате резко возрастает интенсивность бомбардировки мишени ионами рабочего газа, тем самым увеличивается скорость распыления мишени и, как следствие, скорость роста пленки на подложке (скорость достигает несколько десятков нм/с). 56 5.6 Ионно-лучевые методы получения тонких пленок Тонкие пленки различных материалов можно наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионов инертных газов. Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнению с методом ионно- плазменного распыления состоят в следующем: - возможность нанесения пленок материалов сложного состава с сохранением компонентного состава мишени; - малое рабочее давление в технологической камере, ограниченное лишь быстротой откачки вакуумной системы, а не условиями поддержания разряда; - отсутствие электрических полей в области подложки, что особенно важно при нанесении диэлектрических пленок на подложки из проводящих материалов; - возможность управления зарядами в осаждаемой диэлектрической пленке с помощью электронов, эмиттируемых катодом нейтрализации. Ионно-лучевой метод наиболее эффективен для нанесения пленок многокомпонентных материалов, различных диэлектриков, магнитных материалов. 57 Раздел 6. Основы вакуумных технологий Создание элементов МЭМС невозможно без применения вакуумной техники. Качество получаемых элементов МНТ во многом определяется предельным вакуумом в рабочей камере или предельным разряжением. В технике вакуумом называют состояние газа, когда его давление ниже атмосферного. РАССМОТРИМ НА ПРИМЕРЕ НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК: Предельный вакуум, создаваемый в вакуумной системе перед распылением мишени является одним из основных параметров, характеризующий чистоту напылительной установки. Это связано с тем, что остаточные газы находящиеся в рабочей камере во многом определяют чистоту осаждаемого материала и соответственно физические свойства изготавливаемых тонких пленок. При осаждении материала мишени на подложку, также происходит осаждение всех веществ, находящихся в остаточной атмосфере рабочей камеры, что приводит к появлению примесей (атомов других веществ) и «грязи», появлению дефектов и даже структурному изменению напыляемой пленки. 6.1 Основы вакуумных технологий – понятие вакуума, степени вакуума. Число Кнудсена Вакуум– среда, содержащая газ при давлениях, существенно ниже атмосферного. Характеризуется соотношением между средней длиной свободного пробега λ молекул газа и размером d, характерным для каждого конкретного процесса или прибора (расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т. п.). λ= v ср / Z, v ср - средняя скорость молекул, Z - число столкновений, испытываемых молекулой за единицу времени. В зависимости от величины отношения λ/d различают низкий (λ/d<1), средний (λ/d~1), высокий (λ/d>1) вакуум. В низком вакууме преобладают столкновения молекул друг с другом, в высоком преобладают столкновения молекул со стенками камеры. В обычных вакуумных установках и приборах 58 низкому вакууму соответствуют давления р>10 2 Ра (1 мм рт. ст.), среднему – от 10 2 до 10 -1 Ра (1–10 -3 мм рт. ст.), высокому – р<10 -1 Ра (10 -3 мм рт. ст.) Понятие сверхвысокого вакуума связывается не с величиной отношения λ/d, а со временем τ, необходимым для образования монослоя газа на поверхности твёрдого тела (помещенного в вакуум). Для количественной оценки вводится число Кнудсена (характеризует степень разрежённости газового потока): Kn=λ/L, где L — характерный размер вакуумного объема, λ— средняя длина свободного пробега. Низкий вакуум соответствует Kn << 1. При этом обмен энергией происходит исключительно между ближайшими молекулами. Такие условия проявляются в виде вязкости газа, а соответствующие процессы называются вязкостными. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn<0,005. Область давлений, когда средняя длина свободного пробега молекул совпадает с характерным размером вакуумного объема, получила название среднего вакуума. В этом диапазоне давлений столкновения молекул со стенками и друг с другом равновероятны. Средний вакуум отвечает Kn ~ 1. В области высокого и сверхвысокого вакуума средняя длина свободного пути молекул много больше размеров вакуумного объема, и молекулы преимущественно сталкиваются со стенками сосуда. В этом случае каждая молекула выступает индивидуально, а процессы в газах называется молекулярными. В высоком вакууме Kn >> 1. В этом случае, при напылении, изображение экрана на пути молекулярного пучка получается отчетливым. Из условия изменения режима течения газа принимают Kn>1,5. Тогда условие существования среднего вакуума можно записать в виде 0,005