Электронные и микроэлектронные приборы

осударственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

Реферат
Электронные и микроэлектронные приборы

Студента 2 курса заочного отделения ФАРЭ

1998г.

Задание.

Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде.

Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать их сравнительную характеристику.

Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип действия и область применения. Опешите принцип действия и устройство тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов.

1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO₂ используется как:

1. маска для диффузии легирующих примесей

2. для пассивации поверхности полупроводников

3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга

4. в качестве подзатворного диэлектрика

5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОП элементов памяти

6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией

7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO₂ является "родным" материалом для кремния, легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легко воспроизводится и контролируется.

Термическое окисление кремния

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично

вид установки показан на рис. 1.

Рис. 1.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O₂ = SiO₂

окисление в парах воды: Siтверд.+2H₂O = SiO₂ + 2H₂.

Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокиси кремния.

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO₂ происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO₂ за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физика термического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простой модели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2.

Рис. 2.

Процесс окисления происходит на границе Si - SiO₂, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные

слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы

прямо пропорциональна парциальному давлению газа P:

C*=HP, где

C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления P,

H - постоянный коэффициент Генри.

В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем C*.

Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной поверхностной концентраций окислителя:

F1=h(C*-C0), где

C0 - поверхностная концентрация окислителя,

h - коэффициент переноса.

Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости газового потока и растворимости окислителя в SiO₂.

Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки окислителя в объеме окисла (F2) и на его границе с кремнием (F3).

Согласно закону Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации окислителя:

F2=-D(dC/dz)=D(C0-Ci)/z0, ( 1 )

где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при z = z0,

D - коэффициент диффузии при данной температуре,

z0 - толщина окисла.

Величина потока (F3) на границе окисла с полупроводником зависит от постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:

F3=kCi ( 2 )

При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 = F. Следовательно, приравняв соотношения ( 1 ) и ( 2 ), можно выразить

величины Ci и C0 через C*:

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнение потока на границе SiO₂ - Si в следующей форме:

(4)

Скорость роста окисла определяется потоком (F3) и количеством молекул окислителя (Ni), необходимым для образования окисла в единичном объеме. Поскольку концентрация молекул SiO₂ в окисле равна 2,2*10²² см-3, то для получения двуокиси кремния требуется концентрация молекул кислорода равная 2,2*10²² см^-3 или концентрация молекул воды 4,4*10²² см^-3.

Соотношение между величинами z₀ и t определяется интегралом

Следовательно, для малых времен окисления толщина окисла определяется постоянной скорости поверхностной реакции K и прямопропорциональна времени окисления (8). Для больших времен окисления скорость роста зависит от постоянной диффузии D (9), а толщина окисла пропорциональна корню квадратному из времени процесса. Отметим, что наиболее часто используется толщина окисла, составляющая десятые доли микрона, а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм. Значительным достижением последнего времени явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения полевых МДП - транзисторов, увеличению напряжения пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 1016 - 1020 см-3) заключается в превращении случайно проникших в SiO₂ примесных ионов, например, натрия или калия в электрически неактивные.

Плазмохимическое окисление кремния

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении в кислородную плазму образцов. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

На рисунке изображена принципиальная схема установки для осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма возбуждается в объеме 1 генератора плазмы.

Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения.

Тлеющий разряд на постоянном токе.

При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно 0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение разряда Ud величиной внесколько сотен вольт.

Дуговой разряд низкого давления.

Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания. Вследствие чеготермоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud до величины менее 100 В

ВЧ разряд (радиочастотный разряд).

Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора, связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом ( ВЧ напряжение подается на пластины 2 и 3 ).

СВЧ разряд (микроволновый разряд).

Плазма возбуждается при поглощении СВЧ мощности генератора, согласованного с объемом 1 с помощью волновода.

Анодируемый образец 4 находится под положительным относительно плазмы потенциалом fа (потенциалом формовки), который подается на образец через специальный контакт. При этом величина _а может быть отрицательной относительно земли, поскольку равновесный потенциал плазмы отрицателен. Внешняя поверхность оксида в результате взаимодействия с плазмой приобретает "стеночный" потенциал fb,

как правило, отрицательный относительно потенциала невозмущенной плазмы _п. Если образец изолирован от внешней электрической цепи (плазменное оксидирование), то его поверхность приобретает "плавающий" потенциал _f. Наличие анодного потенциала fа на образце вызывает протекание через него анодного тока Ia (или тока формовки), который состоит из ионной составляющей Ii, вызывающей рост оксида, и электронной составляющей Ie. Чем больше доля ионного тока, тем эффективнее протекает рост плазменных оксидов.

Свойства плазменных окислов кремния.

Кремний является наиболее хорошо исследованным материалом электронной техники. Основным процессом пассивации поверхности кремниевых пластин служит термическое окисление. Однако по мере перехода к изготовлению сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем (ССБИС ) возникает необходимость в снижении температуры окислительных обработок с 1400 до 900...1100 К, при которых отсутствует неконтролируемая термодиффузия примесей и другие побочные эффекты, стимулируемые высокой температурой. В связи с этим внимание исследователей начинают привлекать процессы плазменного анодирования и окисления кремния. В работах японских, американских, французских и других исследователей получены пленки плазменного диоксида кремния, по своим параметрам не уступающие лучшим термическим образцам, а по электрической прочности и превосходящие их.

Плазменные оксиды кремния независимо от способа получения представляют собой стехиометрический диоксид кремния SiO₂. Их структура является аморфной, а свойства приближаются к параметрам пленок SiO₂, полученных методом термического окисления кремния. Плазменные оксиды, будучи сформированными при существенно более низких температурах, не обладают дефектами упаковки, не создают механических напряжений на границах раздела оксид - подложка и в ряде случаев имеют более совершенную структуру границы. Термические пленки SiO₂, сформированные при больших скоростях окисления, содержат кластеры кремния размером 2...3 нм. В то же время плазменные оксиды, сформированные даже при более высоких скоростях, не имеют подобнных дефектов на границе раздела Si - SiO₂, в них не наблюдается также эффект перераспределения примеси при окислении.

Вольт-амперные характеристики оксидов туннельных толщин характеризуются механизмом проводимости, соответствующим эмиссии Фаулера-Нордгейма при напряженности электрического поля в оксиде свыше 6.5 МВ/см. Измерения электрофизических свойств оксида, полученного плазменным оксидированием кремния при одновременной подсветке поверхности лазером с длинной волны, соответствующей возбуждению связи Si-Si показали, что оксид обладает на два порядка меньшей плотностью поверхностных состояний, чем традиционные анодные оксиды, и оответствует лучшим термическим пленкам диоксида кремния.

Пиролитическое осаждение кремния из газовой фазы

В технологии интегральных схем применяются металлические и диэлектрические пленки, изготавливаемые различными методами. Однако, в связи с дальнейшей миниатюризацией СБИС и использованием различных полупроводников в качестве подложек необходимо разработать новые методы изготовления пленок с еще меньшей толщиной, плотностью дефектов и большей однородностью. Требуется также максимально увеличить число пластин, которые могут быть обработаны в единицу времени (для снижения стоимости продукции), учесть возможные отрицательные последствия химических реакций между пленкой и подложкой, разогрев пленки в процессе формирования, а также возможность повреждений при облучении.

Рассмотрим пиролитический метод формирования пленок (метод химического осаждения из газовой фазы). Метод химического осаждения из газовой фазы основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании

пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих материалов.

На рис. 1 в разрезе показана установка формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении. На нагретом пьедестале (подставке) горизонтально располагаются пластины. Сверху поступает газ, в атмосфере которого протекают химические реакции. Формирование пленки происходит при использовании химических реакций на поверхности пластины. Для обеспечения равномерности толщины пленки, газ равномерно подводится к поверхности пластин.

Температура по всей поверхности пластин должна поддерживаться одинаковой. Поэтому установки необходимо снабжать устройствами для вращения подставки, а также использовать системы подачи газа в соответствии с выбранной формой пьедестала.

В качестве химически активного газа используют моносилан и кислород, а в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются и разогреваются). Внутри пьедестала имеется полость, предназначенная для предотвращения рассеяния тепла во внешнее пространство и обеспечения равномерности температуры на пьедестале, что приводит к улучшению равномерности по толщине пленки. Однако, поскольку пластины не плотно прилегают к пьедесталу, температура их поверхности неодинакова и воспроизводимость результатов ухудшается. Кроме того, по мере увеличения диаметра пластин их число в составе одной партии уменьшается, что препятствует организации их массового производства и является существенным недостатком данного метода.

Метод формирования пленок при нормальном давлении обладает и рядом достоинств, к числу которых относится большая, чем для других методов, скорость формирования пленок, отработка конструктивной части установки. Данный метод может быть использован для формирования пленок при различных условиях. Установки сравнительно компактны и отличаются низкой стоимостью. Все это дает основание надеяться, что описанный метод будет применятся и в дальнейшем при внесении некоторых усовершенствований.

Конструкция установки формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении показана на рис. 2. В последнее время главная роль отводится методу формирования пленок при низком давлении. Печь, в которой протекают химические реакции, аналогична диффузионной печи. Пластины в печи располагаются вертикально, расстояние между ними в горизонтальном направлении может быть выбрано равным нескольким миллиметрам. Результаты не зависят от диаметра пластин.

В одной обрабатываемой партии может быть 200 пластин. Длина свободного пробега при низком давлении (обычно 65,5 - 13,3 Па) для молекул химически активных газов в 1000 - 1500 раз больше, чем при нормальном (105 Па). Вследствие высокой скорости диффузии химически активных газов распределение концентрации газов в печи равномерно. Кроме того, при таком способе разогрева пластин, как показано на рис. 2, температура на поверхности каждой пластины и между пластинами распределяется равномерно, а воспроизводимость результатов обработки весьма высокая.

Сочетание этого фактора с равномерностью распределения концентрации химически активных газов приводит к тому, что и при увеличении числа пластин в партии равномерность толщины пленки существенно повышается по сравнению с использованием метода химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении. Большое достоинство данного метода состоит также в том, что при наличии на пластине ступенек, молекулы химически активных газов обтекают эти неровности и пленка повторяет форму пластины.

Метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении широко применяется преимущественно для получения пленок поликристаллического кремния и нитридов кремния. При попытках использования этого метода для формирования других пленок возникает ряд проблем. Так, в случае формирования защитных пленок фосфорсиликатного стекла (применяющихся для защиты поверхности ИС) приходится считаться с зависимостью диаметра пластин от диаметра камеры, в которой производится обработка. Предпринимались попытки оптимизации этой зависимости с целью достижения наилучшей равномерности толщины пленок, но пока не удалось получить

удовлетворительных результатов для практических применений. Например, для получения пленок, содержащих фосфор и мышьяк, в камеру наряду с моносиланом необходимо вводить в малых количествах такие газы, как фосфин и арсин, что приводит к существенному снижению скорости формирования пленок и ухудшению равномерности пленки по толщине.

Когда к равномерности распределения концентрации химически активных газов предъявляются жесткие требования, в конструкции установки, изображенной на рис. 2, необходимо существенно улучшить геометрию камеры, системы расположения пластин, а также усовершенствовать систему подачи газа. Поскольку в любом из вариантов метода осаждения из газовой фазы осуществляется пиролиз химически активных газов, формирование пленки должно проводится при довольно высокой температуре по сравнению с методом термического напыления. В частности , при формировании пленок поликристаллического кремния пластина должна быть разогрета до 600 - 650 С, а пленок нитрида кремния до 750 - 800 С. Таким образом, если нагрев пластин до указанных температур по каким-либо причинам нежелателен, то возникают определенные трудности. Так, методы осаждения из газовой фазы не могут быть использованы для формирования пленки Si₃N₄, обладающей практически идеальными свойствами для защиты нтегральных схем, поскольку не обеспечивают стабильность и хорошую воспроизводимость параметров.

Особенности получения тонких пленок

Под процессом окисления полупроводников понимают процесс их взаимодействия с окисляющими агентами: кислородом, водой, озоном и т.д.

При определенных условиях скорость процесса окисления по мере роста концентрации окислителя уменьшается. Это явление часто называют пассивностью и связывают с образованием тонкой пленки окисла, препятствующей переносу окислителя или окисляемого вещества к реакционной поверхности раздела. В 1958 г. Вагнер ввел понятие об активном и пассивном окислении, имея в виду в первом случае процессы, не связанные с образованием оксидных пленок на поверхности исходного материала. Пассивное окисление отсутствует, когда выделяющиеся продукты реакции удаляются со скоростями, большими скорости их образования.

В настоящее время процессы активного и пассивного окисления полупроводников широко используются в технологии производства современных полупроводниковых приборов при проведении операций химического или газового травления, эпитаксии, термического окисления и диффузии. При этом основное внимание технологов и разработчиков сосредоточено на процессах пассивного окисления, что объясняется первостепенной ролью пленок термически выращенной двуокиси кремния в планарной технологии.

Экспериментальные законы роста оксидных пленок Если кинетика процесса активного окисления характеризуется в равновесии линейным законом, то в случае пассивного окисления физическая картина процесса усложняется процессом переноса реагента к реакционной поверхности раздела сквозь растущую пленку. При этом кинетика

окисления может быть аппроксимирована следующими законами:

линейным Х(т)=К1*т; (1)

параболическим Х2(т)=К2*т; (2)

кубическим Х3(т)=К3*т; (3)

логарифмическим Х(т)=К4*lg(В*т+1); (5)

обратно логарифмическим K5/X(т)=А-lg(т) (6)

Существование каждого из этих законов определяется условиями проведения процесса окисления и свойствами исходного материала. Константы К1-К5 зависят от температуры, давления реагента и природы окисляемого материала.

Часто экспериментально наблюдаемая кинетическая зависимость подчиняется двум или нескольким приведенным выше законам. Так, например, при высокотемпературном термическом окислении кремния в кислороде кинетика процесса на начальном этапе следует линейной зависимости, которая затем плавно переходит в параболическую.

При изучении экспериментальных данных по кинетике процесса термического окисления металлов и полупроводников в зависимости от температуры (см. таблицу 1), можно отметить следующее:

при низких температурах, а значит, при малых результирующих толщинах окисных пленок преобладающей является логарифмическая или обратно логарифмическая зависимость;

при промежуточных температурах к ним добавляется кубическая или параболическая закономерности;

при высоких - кинетика процесса в подавляющем большинстве случаев следует параболическому линейному или смешанным линейно-параболическому или паралинейному законам.

Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса.

Таблица 1.

Впервые логарифмическая или экспоненциальная зависимость кинетики процесса окисления была экспериментально получена Тамманом, исследовавшим окисление различных металлов на воздухе при сравнительно низких температурах. Так как методика Таммана была признана неверной, этой зависимости не уделяли почти никакого внимания, пока Вернон, Акеройд и Страуд не подтвердили ее пригодность к процессу окисления цинка при температурах ниже 350 С. В дальнейшем логарифмический закон был применен для целого ряда металлов, включая магний, церий, железо, никель, цирконий, тантал и титан.

Гораздо реже наблюдалась экспериментально обратно логарифмическая зависимость. Гарт, например, с ее помощью описал кинетику окисления алюминия в кислороде при 200 С, а Робертс - кинетику окисления железа при температурах от 0 до 1200 С. Нужно отметить, что при малых толщинах, а они в рассматриваемых случаях не превышали сотен ангстрем, экспериментальные данные обязательно отличаются разбросом, так что трудно определить, укладываются они лучше на кривую логарифмической или кривую обратно логарифмической зависимости.

Ознакомление с металлами, проявляющими сильную тенденцию к линейному окислению, показывает, что такие металлы обычно образуют окислы, удельный объем которых по отношению к удельному обьему металла либо меньше единицы, как у калия (0.45), бария (0,67) и магния (0.81), либо в несколько раз превышает единицу, как у урана (2.27), ниобия (2.68), тантала (2.50), молибдена (3.30) и вольфрама (3.35). В отношении первой группы можно сделать вывод о том, что окисел не способен образовывать когерентную пленку, благодаря чему процесс окисления проходит при непрерывном обнажении поверхности металла. В то же время у металлов с большой величиной оотношения удельных объемов линейное или паралинейное окисление может сопровождаться образованием растрескивающейся или пористой пленки, возможно, после начальной стадии окисления, на протяжении которой пленка остается когерентной. Таким образом, хотя на пути обобщения любого правила есть свои ограничения, все же величина объемного соотношения окисел-полупроводник служит определенным критерием защитной способности окисла.

Параболический закон окисления был открыт Тамманом и не зависиомо от него Пиллингом и Бедуортом. Экспериментально он наблюдается в подавляющем большинстве случаев при высокотемпературном окислении металлов и полупроводников и является следствием объмной диффузии реагентов сквозь растущую окисную пленку. Иногда выясняется, что результаты опытов по исследованию кинетики окисления металлов при промежуточных температурах можно с успехом аппроксимировать кубическим уравнением. Так обстоит дело с никелем при 400 С, титаном при 350-600 С и цирконием при 350-950 С. Можно отметить, что данная аппроксимация соответствует лишь определенному интервалу температур и является переходной формой между логарифмической и параболической закономерностями.

Теоретическое обоснование экспериментально наблюдаемых зависимостей.

Для теоретического обоснования было разработано множество теорий, основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а также эффектах туннелирования электронов, нуклеации, кинетике адсорбции, образования ространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.

К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных. Таким образом, основным вопросом, возникающим при рассмотрении проблемы теоретического обоснования экспериментальных кинетических моделей процесса пассивного окисления, является вопрос о том, действительно ли кинетика роста окисла определяется совокупностью целого ряда физических процессов, каждый из которых применим лишь при вполне определенных условиях, либо подавляющее большинство экспериментальных данных может быть отнесено к ограниченному числу предельных случаев одного и того же процесса или явления.

Не углубляясь в рассмотрение самих моделей, укажем лишь, что большинство из этих данных возможно описать в рамках единой модели, ограниченное число предельных случаев которой объясняло бы появление всех отмеченных выше кинетических закономерностей. Одной из таких моделей можно считать модель Фромхолда, основанную на рассмотрении процессов одновременной макроскопической диффузии заряженных частиц (ионов и электронов) сквозь гомогенную окисную пленку в присутствии электрического поля, созданного этими частицами (Fromhold A.T.-"J. Phys. Chem. Solids", 1963, v.24, p. 1081-1089).

Зависимость экспериментально наблюдаемых кинетических закономерностей от температуры процесса приведена в таблице 1.