Основные технологические процессы микроэлектроники

3. Основные технологические процессы микроэлектроники

Базовые технологические процессы окисления кремния, диффузии, эпитаксии и ионного легирования уже свыше четверти века составляют основу технологии микроэлектроники. За прошедшие годы размер окна в окисле и полоски металлизации уменьшились более, чем в 10 раз, а число   транзисторов на одном кристалле увеличилось с 10³ почти до 10⁶.

Базовый технологический цикл изготовления БИС включает в себя выращивание окислов, нанесение поликристаллического кремния, диффузию, ионное легирование и отжиг структур. Ионное легирование (ИЛ) стало основным способом внедрения примеси. Диффузия имеет место при отжиге ионно-легированных структур, она неизбежно происходит при всех последующих высокотемпературных обработках.

Лежащие в основе этих процессов физические и математические закономерности представляют собой результаты развития молекулярно-кинетической теории и вполне могут считаться элементами общетехнического образования современного инженера.

В имеющейся отечественной и переводной литературе вопросам физико-химических основ моделирования технологических процессов в свое время уделялось достаточно большое внимание. Начиная с первых публикаций по технологии биполярных кремниевых транзисторов, основные количественные соотношения обсуждаются во всех учебных пособиях по микроэлектронике [9,10] и специальных монографиях по технологии и моделированию.

3.1. Диффузия

Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Движущей силой диффузии выступает градиент концентрации атомов или ионов вещества.

В реальных полупроводниках диффузия происходит тремя способами:

1.  Обменный механизм диффузии. Эта диффузия посредством обмена местами между парой соседних атомов, либо в процессе кольцевого обмена.

2.  Вакансионный механизм диффузии. Диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места.

3.  Междоузельная диффузия. Диффузия осуществляется путем последовательных переходов примесей внедрения из одного междоузлия в другое. 

При диффузии основных легирующих примесей в кремнии наиболее вероятен так называемый вакансионный механизм, при котором диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места. Диффузионное перераспределение внедренных атомов примеси остается основным физическим механизмом, определяющим профили распределения ионов в слоях кремниевых структур. Диффузия кислорода сквозь  и  определяет и процессы окисления кремния, а перераспределение    примесей          при отжигах и любых высокотемпературных операциях непосредственно влияет и на результаты ионного легирования и эпитаксии.

Распределение примесей при диффузии определяется самим понятием диффузионного потока, вызываемого пространственно неоднородным распределением концентрации примеси .

В простейшем одномерном случае только  и

Минус связан с тем, что поток распространяется в сторону уменьшения концентрации,  - коэффициент диффузии, см²/с. Закон сохранения потока вещества требует, чтобы

т.е. уменьшение потока в одномерном случае должно сопровождаться накоплением, увеличением концентрации отставших частиц. Объединением этих двух соотношений получается известный закон Фика:

В соответствии с этим законом и коэффициент диффузии приобретает физический смысл через среднее расстояние , на которое частица диффундирует за время с некоторой средней скоростью диффузии

,              .

Микроскопический процесс диффузии связан с активационным механизмом перескока диффундирующего иона между вакансиями в решетке атомов основного вещества, поэтому:

Коэффициенты , см²/с и энергии активации , эВ составляют величины порядка 10^-12 см²/с и 4 эВ. Столь малые величины  означают, что даже при высоких температурах на расстояния порядка одной постоянной решетки 10^-8 см ион перемещается со скоростью не более 10^-4 см/с за время порядка 10^-4 с.

Диффузия примеси в глубину кремния в результате высокотемпературных обработок приводит к стандартному гауссову распределению объемной концентрации , см^-3

где     , см^-2 - общее число введенных атомов примеси на см²; , см - средняя глубина диффузии.

Эти величины могут быть  выражены  через поверхностную концентрацию  и глубину залегания p-n - перехода  в подложке с известной концентрацией .

Из условия ;         

Практически при создании полупроводниковых интегральных микросхем представляют интерес два случая диффузии: из бесконечного источника и из конечного источника примеси. Описанный выше процесс представляет собой диффузию из ограниченного источника.