cvd chimical vaporation

7/23/2019 CVD chimical vaporation

http://slidepdf.com/reader/full/cvd-chimical-vaporation 1/18

5. TEHNICI DE DEPUNERI DE STRATURI

Depunerile sunt necesare la realizarea de straturi semiconductoare cu aceeaşistructur ă sau diferită de cea a substratului, straturi conductoare sau izolante. Tehnicilede depunere folosite pentru realizarea de straturi izolante sau de oxid permit realizareaşi a depunerilor de alte materiale, cum ar fi metale sau pelicule semiconductoare.

În producţia industrială a dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integratesunt utilizate mai multe tehnici de depunere: evaporare termică, pulverizare catodică, depunere chimică în fază de vapori, depuneri la joasă presiune, depunere asistată de

plasmă. În acest scop se folosesc instalaţii speciale (Anexa 1) care funcţionează înmedii cu condiţii controlate (grad de cur ăţenie, temperatura de lucru, etc.).

a) Evaporarea termică

Tehnica evapor ării termice constă în încălzirea în vid, până la vaporizare, amaterialului care urmează a fi depus. În aceste condiţii, vaporii vor migra în incintă şise vor condensa pe substrat, realizând depunerea. Şarja cu materialul de vaporizat se

plasează într-un creuzet (din wolfram).Controlul grosimii straturilor depuse se realizează cu ajutorul balanţei cu cuar ţ.

Principiul acestei balanţe constă în măsurarea deviaţiei frecvenţei de oscilaţie a unuicristal de cuar ţ, variaţie apărută odată cu modificarea masei acestuia. În timpuldepunerii de material, depunerea se face

şi pe cuar

ţ, în acela

şi timp cu cea de pe

substrat. Acest proces de măsurare presupune o etalonare, care se face la începutulfiecărui proces de depunere, stabilindu-se valoarea frecvenţei de referinţă. Prinmăsurarea abaterii de frecvenţă în timp, se poate determina viteza de creştere agrosimii stratului depus.

Depunerea chimică în faza de vapori. Tehnicile de depunere chimică în fază devapori sunt folosite pentru depunerea de siliciu policristalin sau pentru depunerea destraturi izolante. Procedeul de depunere are loc, în general, în cuptoare în care seintroduc substanţele reactive. Calitatea depunerii (proprietăţile structurale şi electrice)este influenţată de temperatura şi presiunea din cuptor.

Depunerea chimică în fază de vapori asistată de plasmă. În tehnica aceastasubstanţele sau elementele ce urmează a fi depuse sunt produse la temperatur ă joasă

printr-un aport de energie electromagnetică (furnizată de o sursă de radiofrecvenţă).Prin acest procedeu se evită încălzirea la temperaturi ridicate, care poate avea uneoriconsecinţe nedorite (spre exemplu: redistribuirea dopanţilor). Pentru a se obţine ocalitate bună a straturilor depuse, este necesar ă o preîncălzire a substraturilor pe carese realizează depunerea.Depunerea chimică în fază de vapori la joasă presiune. Depunerea chimică, în acestcaz, se realizează într-un cuptor cu "pereţi calzi", la temperaturi de 500...600°C şi la

joasă presiune. În incinta cuptorului se injectează gazele active care vor reacţiona,sintetizând materialul ce urmează a fi depus.

http://gmv.spm.univ-rennes1.fr/ro/chap8b.htm



http://gmv.spm.univ-rennes1.fr/ro/chap8c.htm



http://www.buginword.com/







http://gmv.spm.univ-rennes1.fr/ro/chap8f.htm














Tehnologie electronică 52

b) Depunerea prin pulverizare catodică sau cu tun de electroni

Acest procedeu constă în bombardarea materialului care urmează a fi depus

(ţinta) cu ioni acceleraţi într-un câmp electric. De pe suprafaţa ţintei se desprind particule de dimensiuni atomice, care sunt proiectate pe suprafaţa substratului, unde sedepun.

5.1. Epitaxia

Prin epitaxie se înţelege procesul de creştere a unui strat monocristalin pe unsuport orientat. Semnificaţia cuvântului, provenind din limba greacă, este: epi=pe şitaxis=aranjare. Procesul constă în transportul atomilor dintr-o fază: solidă, lichidă saugazoasă la suprafaţa unui suport monocristalin pe care să continue creşterea cristalină a

substratului. Aceasta tehnică foloseşte un substrat cu rol de germene cristalin pe carecreşte un nou strat (pe monocristalul de bază), prin aport de atomi din exterior. Noulstrat obţinut în acest fel poate fi dopat sau nedopat.

Creşterea epitaxială a constituit un pas important în tehnologia planar ă şi în primul rând în tehnologia circuitelor integrate. Creşterea straturilor epitaxiale a permisîn cadrul tehnologiei planare eliminarea unor procese de difuzie care necesitau uninterval de timp mare. Calitatea straturilor epitaxiale este mai bună decât cea astraturilor difuzate.

5.1.1. Descrierea procesului. Caracteristici

În funcţie de modul în care se realizează transportul de la sursă la stratul pe carecreşte substratul semiconductor monocristalin, procesele de creştere epitaxială seîmpart în directe şi indirecte.

Straturile epitaxiale pot fi de acelaşi fel, în cazul homoepitaxiei, când materialelesunt identice (de exemplu: creşterea prin epitaxie a unui strat de siliciu n- peste un stratde siliciu n+, pentru obţinerea joncţiunii colector-bază a unui tranzistor bipolar,

permiţând creşterea tensiunii de str ă pungere) sau materialele diferite în cazulheteroepitaxiei. În acest ultim caz, creşterea nu va fi posibilă decât dacă există compatibilitate între reţelele cristaline ale celor două materiale (aceeaşi geometrie a

reţelei cristaline şi diferenţe mai mici de 1...2 % între distanţele dintre atomi).Pe baza mecanismelor fizice ale creşterii epitaxiale se pot analiza posibilităţile de

fixare în reţeaua cristalină a atomilor singulari care ajung la suprafaţa substratului.Pentru ca atomii să se poată deplasa la nivelul suprafeţei cristalului este necesar ă găsirea unei poziţii în care acesta să se poată fixa. În funcţie de poziţia în care atomiiating suprafaţa substratului, înainte de formarea legaturilor chimice cu cristalul de bază

pot să apar ă următoarele situaţii:- atomul ajunge pe suprafaţă într-o poziţie în care, legătura din punctul respectiv

fiind prea slabă, nu poate fi reţinut (fig. 5.1-cazul A);- atomul cade într-o "gaur ă" a reţelei cristaline şi stabileşte imediat legături suficient

de puternice pentru a r ămâne definitiv fixat în reţea (fig. 5.1-cazul B);- atomul se agaţă de o "treaptă" a reţelei şi se fixează în reţea (fig. 5.1-cazul C ).



Tehnici de depunere de straturi 53

Analiza acestor mecanisme (prezentate într-o formă simplificată) arată că, în primul rând, se vor umple "găurile" reţelei şi procesul de creştere a cristalului se vaface strat cu strat. Acest proces are loc, în cazul în care aportul de atomi din exterior

este bine dozat, iar aceşti atomi au energie suficientă pentru a se deplasa la suprafaţacristalului, pentru a ajunge în puncte în care se pot "agăţa". Îndeplinirea acestorcondiţii va depinde de respectarea parametrilor procesului tehnologic.

Fig. 5.1 ecanismele elementareale cre şterii epitaxiale

Procesele directe de creştere epitaxială se caracterizează prin transportul de atomi dela sursă la suportul de cristalizare f ăr ă a mai trece prin reacţii chimice intermediare.Din această grupă fac parte creşterile epitaxiale prin evaporare termică, pulverizarecatodică şi sublimare. Prin aceste procedee atomii semiconductorului vin la suprafaţa

suportului monocristalin unde în anumite condiţii se pot reuni şi forma germeni bidimensionali stabili. Probabilitatea Rn de formare a germenilor bidimensionali estedată de relaţia:

∆−=

kT

W N R

g

nexp (5.1)

unde s-au folosit notaţiile: N - concentraţia atomilor de semiconductor în fază

gazoasă;∆W g - energia liber ă de formare a germenilor stabili;T - temperatura substratului.

Dacă Rn este mare, atunci la suprafaţa substratului se formează mulţi germeni bidimensionali, formându-se un strat epitaxial cu o structur ă cristalină bună.Probabilitatea de formare a germenilor este cu atât mai mare cu cât concentra ţiaatomilor de semiconductor în fază gazoasă N şi temperatura T a substratului este maimare.

Cre şterea epitaxial ă indirect ă se caracterizează printr -un transport de compuşichimici care disociază pe substratul de material semiconductor ce constituie suportul.

Analiza creşterii epitaxiale indirecte se face în mai multe etape.- transportul compuşilor la suprafaţa substratului;




- absorbţia la suprafaţă,- reacţiile chimice la suprafaţa suportului,- evacuarea produselor secundare rezultate;

- disiparea căldurii rezultate.La realizarea straturilor epitaxiale, care să corespundă parametrilor de utilizare a

dispozitivelor semiconductoare, este necesar ca structura suportului şi cea a stratuluicrescut să fie cât mai apropiate. Se impune ca la cele două structuri constantele dereţea să nu difere cu mai mult de 1%.

5.1.2. Modelul epitaxiei

La creşterea straturilor epitaxiale obţinute prin evaporarea şi condensarea în vidse analizează cele trei etape: evaporarea, transportul substanţei evaporate până la

substrat şi condensarea.

a) Evaporarea

Materialul stratului care urmează a se depune este încălzit într-un vaporizatorcare se află într-o incintă vidată. Atomii sau moleculele, care au energie cinetică suficientă, înving energia de legătur ă şi păr ăsesc suprafaţa fazei lichide sau solide (încazul sublimării). Viteza de evaporare ve, care reprezintă numărul de molecule ce seevapor ă în unitatea de timp, se poate scrie în funcţie de concentraţia moleculelorgazului n şi viteza medie v :

vnve 41= . (5.2)

Concentraţia moleculelor gazului n şi viteza medie v se exprimă în funcţie de presiune şi temperatur ă cu relaţiile din fizica molecular ă (legea gazelor perfecte):

nkT p = (5.3)şi

m

kT

v π

8

= (5.4)

unde m este masa moleculei.Prin înlocuirea mărimilor n şi v din (5.3) şi (5.4) în relaţia (5.2), pentru viteza de

evaporare se obţine:

21)2( mkT

pve

π = (5.5)

În cazul în care vaporizarea are loc în sistem închis, se stabileşte un echilibru

între vaporizare şi condensare la care corespunde o presiune p de echilibru a vaporilor.




Valoarea presiunii se poate exprima în funcţie de cantitatea de căldur ă Qm necesar ă evapor ării unui mol de substanţă [3]:

−=

RT

Q A p mexp (5.6)

unde A este o constantă care depinde de temperatur ă.Introducând (5.6) în relaţia (5.5), pentru viteza de evaporare se obţine expresia:

−=

RT

Q

mkT

Av m

e exp)2( 21π

(5.7)

Pentru a obţine viteza de evaporare vem în unităţi de masă (kg/m2. s) se multiplică relaţia(5.7) cu masa unei molecule:

e

A

eem v N

M vmv =⋅= (5.8)

unde: M este masa molar ă, iar N A numărul lui Avogadro .mol molecule N A /10023,6 23⋅=

De obicei, se consider ă că evaporarea are loc la o temperatur ă pentru care seobţine o presiune a vaporilor . Prin înlocuire în relaţia (5.8) şi după

introducerea constantelor, rezultă:

mmHg p 210−=

2

1

3108,5

⋅= −

T

M vem (5.9)

unde M este în kmoli, iar T în K.

b) Transportul între evaporator şi condensor

Moleculele care se evapor ă păr ăsesc suprafaţa evaporatorului cu viteza mediedată de relaţia (5.5). Drumul liber mijlociu λ se poate exprima ca raportul între viteza

medie v şi numărul mediu de ciocniri Z ( vn Z m22 σ π ⋅= ) cu celelalte molecule:

p

kT

n Z

v

mm

22 22

1

σ π σ π λ

⋅=

⋅== (5.10)

unde, mărimile introduse au următoarea semnificaţie: p – presiunea gazului,σ m - diametrul efectiv al moleculei.

Dacă se introduc date numerice uzuale:σ m=3,7 10-10m la aer şi p=10-4 mmHg rezultă: cm47=λ ;




σ m=3,7 10-10m la aer şi p=10-6 mmHg rezultă: m47=λ .

Valorile drumului liber mijlociu λ obţinut anterior arată că într-o incintă cu vidînaintat ( p=10-4÷10-6 mmHg ) fascicolul molecular este liniar (mişcarea se face practicf ăr ă ciocniri). Pentru aceste fascicole sunt satisf ăcute legile lui Knudsen:

- intensitatea fascicolului este propor ţională cu cosθ , unde θ reprezintă unghiul faţă de direcţia normalei;

- numărul de atomi care ajung la suprafaţa substratului în unitatea de timpeste invers propor ţional cu pătratul distanţei de la sursă la substrat.

De aceste legi se ţine seama la stabilirea formei evaporatorului şi a poziţieisubstratului pentru o distribuţie eficientă a materialului de condensare pe suprafaţasuportului.

b) Condensarea

Formarea stratului pe suport prin procesul de condensare constituie o fază importantă a creşterii epitaxiale. Atomii ce ajung la suprafaţa suportului vor difuza pesuprafaţă. Pentru ca un atom sau o moleculă să treacă într-o poziţie învecinată trebuiesă depăşească o barier ă de potenţial W s, iar pentru a păr ăsi suprafaţa trebuie să tracă

peste o barier ă de potenţial W e> W s.

Mobilitatea atomilor la suprafaţă depinde de:- energia de activare a difuziei W s;

- temperatura suportului,- natura suprafeţei;- gradul de cur ăţenie al suprafeţei.

Atomii pot primi suficientă energie de la oscilaţiile termice ale suportului, fie pentru a suferi fenomenul de reevaporare, fie pentru a întâlni un nou atom cu careformează un complex bidimensional.

Pentru cele două stări se introduc timpii de viaţă: τ1 – cât atomul stă absorbit pesuprafaţa suportului şi τ2 – timpul cât coexistă complexul bidimensional. La ungermene bidimensional se pot alătura şi alţi atomi realizându-se în acest caz uncomplex care se evapor ă mai greu. Prin creşterea dimensiunilor complexului atomic

mobilitatea lui la suprafaţă scade şi timpul de viaţă τ2 creşte.Procesele fizice care au loc la suprafaţa substratului se pot scrie compact subforma:

- condensarea:

S G nn ⇔ ; (5.10)

- formarea germenilor:

S S nn 22 ⇔ ; (5.11)

- creşterea şi disocierea germenilor:

S GS S S

nnnnn232

+↔⇔+ ;

S x xS S nnn )1( +⇔+ . (5.12)




unde, indicii G şi S se refer ă la faza gazoasă, respectiv, la faza solidă de la suprafaţasuportului.

Viteza de variaţie a concentraţiei atomilor la suprafaţă se poate scrie:

2

2

1 τ τ

S S

c

nnv

dt

dn−−= (5.13)

unde: vc reprezintă viteza de condensare. Neglijând procesele de tip (5.13) se poate scrie:

S S nnn 2+= (5.14)

Prin introducerea relaţiei (5.14) în (5.13) se obţine:

121

2

11

τ τ τ

nnv

dt

dn sc −

−+= (5.15)

Considerând că la formarea germenului n2S , la întâlnirea lui nS cu nS , concentraţiacreşte propor ţional cu rezultă:2

S n

(5.16)2

2 S S S nk n =

unde k S este un coeficient de propor ţionalitate.

Dacă se consider ă că n , din (5.16) şi (5.14) rezultă:S S n2>>

(5.17)2

2 nk n S S =

Introducând (5.17) în (5.15) se obţine:

2bnanv

dt

dnc +−= (5.18)

unde:

1

1

τ =a şi

−=

21

11

τ τ S k b (5.19)

Ecuaţia (5.19) se poate scrie sub forma:

−+

−=b

av

b

anb

dt

dnc

42

22

(5.20)

iniţial , când n=0, viteza de creştere a stratului este dată de relaţia:




c

t

vdt

dn=

=0

(5.21)

Cândb

a

2n → , viteza de creştere este dată de:

b

av

dt

dnc

4

2

−=

(5.22)

Din relaţia (5.22) se observă că stratul poate creşte numai dacă:

b

avc 4

2

> (5.23)

Deoarece vv ≈ depinde de temperatura sursei de evaporare (relaţia 5.23) rezultă

că se pot obţine straturi groase pe un suport numai începând cu o anumită temperatur ă critică a evaporatorului, adică peste o anumit ă vitez ă critică de evaporare, dată de:

ec

2

11

2

1

1

4

1

4τ

τ τ −

⋅==S

eck b

av (5.24)

Deoarece τ1<τ2, rezultă:

1

2

4

1

4 τ S

eck b

av ≈= (5.25)

Durata de viaţă în starea de absorbţie la suprafaţă a atomilor în ipoteza luiFrenkel se poate scrie:

S

e

akT

U exp1

1−=ν τ (5.26)

unde: T S - temperatura suportului condensor,νa - frecvenţa de oscilaţie în jurul poziţiei de echilibru a atomului absorbit.

Din (5.25) şi (5.26) se obţine:

−=

S

e

S

a

eckT

U

k v exp

4

ν (5.27)

din compararea relaţiilor (5.26) şi (5.27) rezultă că formarea stratului începe numai

după ce este stabilit un anumit raport între temperatura evaporatorului şi cea asuportului de condensare.




5.1.3. Tehnologia depunerii straturilor epitaxiale

Există în principal trei tipuri de procedee :

- epitaxia prin jet molecular - MBE (Molecular Beam Epitaxy),- epitaxia în fază lichidă - LPE (Liquid Phase Epitaxy),- epitaxia în fază de vapori - VPE (Vapor Phase Epitaxy).

a) Epitaxia prin jet molecular (MBE)

Aceasta tehnică constă în aducerea şi proiectarea moleculelor pe suprafaţasubstratului. Procesul are loc în vid înaintat (10-10 Torr), pentru a preveni orice ciocniresau contaminare pe parcurs. Atomii care se depun se obţin în urma evapor ării în vid.Sursele de vapori pot fi de mai multe feluri diferite dopaje. Prin reglajul temperaturii

celulelor de vaporizare se creează un jet de molecule în direcţia substratului. Prin acest procedeu se pot realiza, strat cu strat, structuri foarte complexe cum ar fi super - reţele,diode laser, tranzistoare speciale. În instalaţia de epitaxie (fig. 5.2) se obţine o creştereepitaxială cu mare precizie, putându-se realiza joncţiuni foarte abrupte. În timpulcreşterii epitaxiale poate fi verificată continuu calitatea reţelei cristaline în formare.

Procesul este însă foarte lent şi nu poate fi aplicat decât unui singur substrat de

fiecare dată. Viteza de creştere este de ordinul a 1 nm/minut. Deoarece procedeulMBE este foarte costisitor, acesta nu se aplică decât pentru realizarea de dispozitiveelectronice speciale şi cu valoare adăugată mare [7].

Încălzire

SubstratEcran

Surse devapori

Tun deioniTun de

electroni

Fig. 5.2 Instala ţ ia de epitaxie

prin jet molecular

b) Epitaxia în faza lichidă (LPE)

Această tehnică constă în creşterea cristalului prin punerea sa în contact cu osursă lichidă de atomi. Principiul este asemănător cu cel al tragerii lingourilor desiliciu prin metoda Czochralski. În acest caz, este necesar controlul schimburilor decaldur ă din timpul procesului, pentru a evita lichefierea cristalului de bază. Metoda

prezintă avantajul de a fi foarte rapidă, viteza de crestere putând ajunge la ordinul unuimicron pe minut, dar nu are precizia metodei MBE. Principiul epitaxiei cu mai multe

http://gmv.spm.univ-rennes1.fr/ro/















soluţii (băi multiple) în faza lichidă este prezentat în figura 5.3. Soluţiile lichide suntaduse succesiv la suprafaţa substratului prin intermediul glisierei de grafit.

Băile pot conţine material de bază sau dopanţi diferiţi, pentru a realizaheteroepitaxie (spre exemplu pentru realizarea unui hetereotranzistor bipolar).

Fig. 5.3 Principiul epitaxiei în

faza lichid ă cu mai multe solu ţ ii

Soluţiilichide

Grafit

Glisiera degrafit

Substrat

c) Epitaxia în fază de vapori (VPE)

Acest procedeu constă în creşterea cristalului semiconductor prin aportulatomilor conţinuţi într-un gaz (fig. 5.4). În reactor gazul se disociază, furnizând atomi(de siliciu, spre exemplu), care se depun pe suprafaţa plachetelor. Plachetele suntîncălzite, pentru a asigura condiţii bune de creştere. În funcţie de temperatur ă, reacţiilece se produc pot fi foarte diferite. În cursul procesului se impune un control al

echilibrului chimic, care se obţine prin injecţia de gaz rezultat din descompunereasursei de atomi. Gazele injectate conţin: triclorsilan, acid clorhidric şi hidrogen.

Procedee de epitaxie a siliciului, în faz ă de vapori

Fig. 5.4 Instala ţ ie pentru epitaxie in faza de vapori (VPE)

gaz

încălzire

pompare

plachete

Există diverse procedee pentru epitaxia siliciului, în funcţie de sursa de siliciu

folosită, aceasta putând fi : SiCl 4 , SiHCl 3 , SiH 2Cl 2 sau SiH 4. c1 ) pentru sursa SiCl 4 , reacţia este:



















SiCl4gaz + 2H2gaz Si solid + 4HCl gaz (5.28)

Reacţia se efectuează, la aproximativ 1250°C, ceea ce antrenează o redistribuire

importantă a dopantilor în timpul epitaxiei.

c2 ) pentru sursa triclorsilan, SiHCl 3, reacţia este:

SiHCl3gaz + H2gaz Si solid + 3HCl gaz (5.29)

Reacţia se efectuează la aproximativ 1100°C; aceasta este metoda industrială,care actualmente este cea mai utilizată.

c3) la piroliza diclorsilanului, SiH 2Cl 2, reacţia este:

SiH2Cl2gaz Si solid + 2HCl gaz (5.30)Aceasta reacţie permite obţinerea unei bune calităţi a cristalului, la o viteză de

creştere relativ ridicată. In ansamblu, cele trei metode prezentate mai sus auinconvenientul de a genera acid clorhidric, care poate ataca siliciul în curs de creştere.Pe de altă parte prezintă avantajul ca, prin reglarea presiunii par ţiale a acestui produs,se poate controla viteza de creştere.

c4) folosind silanul , SiH4; piroliza silanului este o reacţie ireversibilă:

SiH4gaz −> Si solid + 2H2 gaz (5.31)

Reacţia se produce la 1000°C, f ăr ă a rezulta compuşi cloraţi. Aceasta tehnică permite realizarea de joncţiuni abrupte, întrucât temperatura de lucru nu este foarteridicată, deci difuzia dopanţilor în timpul creşterii epitaxiale este mult diminuată. Pe dealtă parte, silanul este un produs scump şi periculos (se aprinde instantaneu în contactcu aerul), iar viteza de creştere realizată este relativ mică.

În toate variantele reacţia de depunere se desf ăşoar ă în condiţii bune, dacă temperatura se menţine în limitele indicate şi compoziţia combinaţiei de gaze esteadecvată. O viteză bună de creştere a monocristalelor de siliciu (1µm/min - 5µm/min)s-a obţinut pentru temperaturi cuprinse între 930οC şi 1400οC. Creşterea cu viteze mai

mari duce la depunerea de pelicule din ce în ce mai imperfecte şi, în cele din urmă ladepuneri policristaline.

5.1.4. Analiza straturilor epitaxiale

a) M ă surarea grosimii prin:- metoda cântăririi la care variaţia de masă ∆m care se determină cu balanţe

foarte sensibile permite stabilirea valorii grosimii stratului epitaxial conformrelaţiei:

eS m x ρ ⋅

∆=∆ (5.32)




- metoda generatorului cu cuar ţ la care variaţia de masă ∆m care se determină în funcţie de variaţia de frecvenţă ∆ f a unui cristal de cuar ţ situat îninteriorul instalaţiei de epitaxie:

0

1 f m

m f

f o ⋅⋅

∆=

∆ (5.33)

Prin măsurarea variaţiei relative a frecvenţei (5.33) se determină masa şi în funcţiede aceasta grosimea stratului depus.

b) Analiza calit ăţ ii

Calitatea straturilor epitaxiale se evaluează pe baza următorilor parametrii:

- defecte de structur ă.- distribuţia concentraţiei de impurităţi;- rezistivitate;- grosime.

b1) Analiza structurii se realizează optic cu ajutorul microscopului electronic saucu ajutorul razelor X

b2) Determinarea con ţ inutului de impurit ăţ iDeterminarea profilului de impurităţi se face prin măsurarea rezistivităţii în

diferite zone prin metoda celor 4 sonde.Profilul concentraţiei de impurităţi în regiunea de interfaţă substrat – strat

epitaxial depinde de următorii parametri ai tehnologiei:- temperatura procesului;- natura şi concentraţia impurităţilor în substrat;- coeficienţii de difuzie a impurităţilor în substrat şi în stratul epitaxial, etc.

Pentru reducerea redistribuirii impurităţilor trebuie luate următoarele măsuri:- alegerea materialelor de dopare cu coeficienţi de difuzie mici;- mărirea vitezei de creştere epitaxială.

Procesul de redistribuire al impurităţilor la interfaţa substrat – strat epitaxial este prezentat în figura 5.5.

Fig. 5.5 Distribu ţ ia impurit ăţ ilor în

rocesul cre şterii epitaxialeNe

Substrat

N1(x,t)

Stratepitaxial

Nsub

x=0 x=xe x

N

N2 x,t

Se poate observa descreşterea uşoar ă a concentraţiei a substratului N1(x,t) până lasuprafaţa acestuia x=0 şi foarte puternic în stratul epitaxial. În acelaşi fel, are loc




modificarea concentraţiei stratului epitaxial N2(x,t) pe grosimea acestuia x=xe, urmată de o descreştere foarte puternică în interiorul substratului.

5.2. Oxidarea

Prin oxidare se înţelege reacţia chimică între un metal sau un semiconductor cuun agent oxidant (oxigen, ozon, apă, bioxid de carbon, acid azotic, etc.). Procesul deoxidare la siliciu are drept scop obţinerea unui strat de SiO2 caracterizat prin

proprietăţi dielectrice şi de ecranare în procesele de impurificare controlată (mascare).S-a observat că stratul de oxid de siliciu (SiO2) se comportă ca o barier ă la pătrundereaimpurităţilor în substratul de siliciu (Si). Această observaţie a constituit o invenţiedeosebit de importantă şi cu numeroase aplicaţii în construcţia structurilorsemiconductoare (dispozitive semiconductoare şi circuite integrate) în tehnologia

planar ă. Un strat de o fracţiune de micron de SiO2, uşor de depus pe cale termică,împiedică pătrunderea în siliciu a atomilor str ăini: P, As, Sb, B. Sintetizând rolurile pecare le poate îndeplini stratul de SiO2 se pot menţiona:

- mască pentru implantare sau difuzie de dopant;- strat pasivizant (de protecţie) la suprafaţa siliciului;- zonă de izolare electrică între diferitele componente ale unei structuri

integrate;- strat activ în cazul tranzistoarelor cu efect de câmp (oxid de grilă);- izolant electric între straturile adiacente, pentru a creşte gradul de

integrare şi a reduce dimensiunile;- izolant electric între diferitele nivele ce conţin trasee conductoare,

metalice sau din polisiliciu puternic dopat;- straturi de sacrificiu permiţând ameliorarea performanţelor sau

creşterea gradului de integrare al circuitelor.

5.2.1. Descrierea procesului. Caracteristici

Siliciul se oxidează şi la temperatura ambiantă, în atmosfer ă cu conţinut deoxigen, dar atunci când stratul de oxid atinge adâncimea de 2..3 straturi atomice,

fenomenul se blochează. Se spune că stratul astfel format este pasivizat, protejândsiliciul împotriva oxidării sale în continuare. Pentru a obţine oxidarea straturilor lagrosimea necesar ă se cere activarea fenomenului prin creşterea temperaturii.

Pentru obţinerea stratului de SiO2 se folosesc următoarele variante:- oxidarea termică în prezenţa oxigenului, numită oxidare uscat ă;- oxidarea termică în prezenţa oxigenului şi a vaporilor de apă, numită

oxidare umed ă;- oxidarea termică în prezenţa numai a vaporilor de apă, numită

oxidare în vapori;- oxidarea pe cale electrochimică, numită oxidare anodică;

- oxidarea cu ajutorul plasmei de oxigen, numită oxidare în plasmă.Reacţiile care au loc sunt următoarele:




Si solid + O2 −−−> SiO2 solid (5.34)

Si solid + 2 H2O −−−> SiO2 solid+ 2H2 (5.35 )

Pentru a obţine un oxid cu calitate electronică satisf ăcătoare se prefer ă oxidareatermică, fie cu oxigen, fie în prezenţa vaporilor de apă.

Stratul iniţial al substratului de siliciu reacţionează cu elementul oxidant pentru aforma SiO2. Fracţiunea din grosimea stratului ce se situează "dedesubtul" suprafeţeiiniţiale reprezintă 46% din grosimea totală a stratului de oxid; fracţiunea situată "deasupra" reprezintă deci 54% [7] (fig. 5.6). Creşterea de volum va avea consecinţeasupra planeităţii suprafeţei plachetei, mai ales atunci când se realizează oxidărilocalizate.

Fig. 5.6 Cre şterea de volum la

oxidarea localizat ă a siliciului

SiO2

Substrat de siliciu

5.2.2. Tehnologia oxidării

Operaţiile de oxidare se realizează în cuptoare similare celor folosite pentrudifuzie, în care se introduc oxigen, uscat sau umed, sau vapori de apă. (fig. 5.7). Se potcrea vapori de apă în interiorul cuptorului pornind de la un flux de hidrogen şi un fluxde oxigen. Aceasta reacţie este puternic exotermică, deci poate fi periculoasă, dacă nuse au sub control parametrii de proces. Instalaţia pentru oxidare prezentată în figura5.7 trebuie să conţină elemente de siguranţă (detector de flacăr ă, reglaje de debit, etc.),astfel încât să evite explozia. Acest tip de reactor este utilizat în producţia industrială de serie.

Incinta

Fig. 5.7 Instala ţ ia pentru oxidare

uscat ă şi/sau umed ă

Rezistenţa de încălzire

Instala ţ ia de oxidare umed

ă folose

şte ca surs

ă de vapori apa deionizat

ă care este

supraîncălzită (102οC) pentru a avea un flux continuu de vapori. Vaporii obţinuţi sunt




conduşi prin tubul de legătur ă, încălzit astfel încât să nu aibă loc condensarea vaporilorde apă şi ajung în camera de reacţie (fig. 5.8). În camera de reacţie a instalaţiei seintroduc plachetele de Si supuse procesului de oxidare.

Apă deionizată

Încălzitor

Cameră de reac ie

Fig. 5.8 Schema instala ţ iei de

oxidare a Si cu vapori de apă

Grosimea stratului de oxid este în funcţie de temperatur ă şi de timpul de

menţinere. Parametrii procesului se indică în documentaţiile de specialitate tabelar sausub formă de diagrame.

5.2.3. Modelul oxidării

Modelul fenomenologic al oxidării cuprinde trei etape:- transportul agentului oxidant din gaz la interfaţa oxid-gaz;- difuzia agentului oxidant prin stratul de oxid deja format;- reacţia chimică de formare a oxidului la interfaţa oxid - siliciu.

Celor trei etape ale oxidării, conform legii conservării maselor, le corespund treifluxuri, care în condiţii staţionare, trebuie să fie egale: Φ 1= Φ 2=Φ 3.

Fluxul de oxigen Φ 1 la inerfaţa gaz-oxid (fig. 5.9) se poate scrie:

)(1 S GG C C h −=Φ (5.36)

unde, mărimile din (5.36) au următoarea semnificaţie:hG - coeficientul transferului de masă;C G- concentraţia de oxidant din volumul gazului;C S - concentraţia de oxidant din apropierea oxidului.

Mediu

Si

SiO2

CG

1

C0

2 3

Ci

x

C

C0

x0

Fig. 5.9 Modelul pentru oxidarea

termică a siliciului




Concentraţia de impurităţi dintr-un solid, conform legii Henry este propor ţională cu presiunea speciei de impurităţi în mediul în care se află solidul. Deci, concentraţiaC 0 de la suprafaţă este propor ţională cu presiunea p s a oxidantului de la suprafaţa

stratului de oxid: s p H C ⋅=0 (5.37)

unde H este constanta lui Henry.Concentraţia unităţilor oxidante C

* din stratul de oxid se poate scrie în modasemănător:

(5.38)G p H C ⋅=*

unde pG reprezintă presiunea din interiorul oxidului.

Conform legii gazelor perfecte se poate scrie:

HkT

C

kT

pC

HkT

C

kT

p S S

GG

0*

; ====C . (5.39)

Prin înlocuirea concentraţiilor C G şi C S din relaţia (5.39) în (5.36) rezultă:

)()( 0*

0*

1 C C hC C HkT

hG −=−=Φ (5.40)

unde HkT

hh G= - reprezintă coeficientul de transfer de masă în faza gazoasă în funcţie de

concentraţia din solid.Fluxul din stratul de oxid, conform legii lui Fick, dacă se consider ă o variaţie

liniar ă pe grosimea x0, este:

0

0

0

02

x

C C D

x

C C D ii −

⋅=−

⋅−=Φ (5.41)

unde: D este coeficientul de difuzie al oxidantului în stratul de oxid,C i este concentraţia de oxidant la interfaţa oxid-siliciu; x0 este grosimea stratului de oxid.Pentru zona de interfaţă oxid-siliciu se poate scrie că viteza reacţiei de oxidare

este propor ţională cu concentraţia de oxidant la această interfaţă:

iS C k =Φ 3 (5.41)

k S – constantă.Dacă se introduce condiţia de regim staţionar Φ1= Φ2= Φ3, rezultă expresiile

concentraţiilor:




i

S

S S

i C D

xk C

D

xk

h

k

C C ⋅+=

++= )1(;

1

00

0

*

(5.42)

Din analiza relaţiilor (5.42) se desprind, în funcţie de valoarea coeficientului dedifuzie, următoarele cazuri limită:

- , ( D <<k 0→ D S x0) situaţie cunoscută ca oxidare controlat ă prin difuzie; secaracterizează prin creştere parabolică a stratului de oxid.

- , ( D >>k ∞→ D S x0) situaţie cunoscută ca oxidare controlat ă prin reac ţ ie; secaracterizează prin creştere liniar ă a stratului de oxid.

Viteza de oxidaredt

dx0 este direct propor ţională cu fluxul unităţilor de oxidare şi

invers propor ţional cu numărul N 1 al unităţilor oxidante pentru a forma o unitate devolum de oxid:

⋅==1

*

1

30

N

C k

N

F

dt

dx S

D

xk

h

k S S 01

1

++ (5.43)

Din rezolvarea ecuaţiei (5.43) cu condiţia iniţială it

x x =→ 00

lim , unde xi corespunde

grosimii iniţiale a stratului de oxid, se obţine o ecuaţie de gradul 2. Coeficienţiiecuaţiei obţinute se determină pe cale experimentală [3].

5.2. Întrebări recapitulative

1. Care sunt tehnicile de depunere folosite în producţia dispozitivelorsemiconductoare?

2. Ce se înţelege prin epitaxie şi prin ce se caracterizează?

3. Care sunt principalele etape ale epitaxiei?

4. În ce constă epitaxia prin jet molecular?

5. În ce constă epitaxia în fază lichidă?

6. În ce constă epitaxia în faă gazoasă?

7. Cum se determină grosimea stratului epitaxial depus?

8. Ce se înţelege prin oxidare şi care sunt utilizările straturilor de SiO2 ?

9. Care sunt reacţiile care au loc în procesul oxidării?

10. Care sunt instalaţiile care se folosesc pentru oxidarea siliciului?




Anexa 5.1 Instalaţii folosite pentru tehnologia depunerilor

c)

b)

a)

a) Instalaţie de depunere de pelicule (metalice) b) Instalaţie pentru gravare umedă şi pentru clătirec) Instalaţie de depunere chimică în fază de vapori (LPCVD)

cvd chimical vaporation

Documents