Реферати

Реферат: Дифузія при виробництві ИМС

Відхилення в психічному розвитку. Психічний розвиток як процес, що розгортається в часі протягом усього життя людини, має временнýю структуру. Її знання важливе для розуміння потенційних можливостей розвитку, виявлення типового ходу індивідуального розвитку.

Автоматизація робочого місця у фінансовому відділі. Принципи створення автоматизованого робочого місця. Задачі фінансового відділу підприємства, розподіл функцій по робочих місцях. Склад, характеристика, обґрунтування вибору системного і прикладного програмного забезпечення, технічних засобів.

Олександр III і його оточення. Великий князь Олександр Олександрович Романов. Контрреформи Олександра III. Перші жертви нової політики - печатка і школа. Судова реформа: обмежувалася діяльність суду присяжних. Консервація кріпосницької системи і її посилення.

Аналіз динаміки трансформації дефіциту бюджету в профицит з 1997-2007р. м.. Статистичний аналіз державного бюджету РФ за період з 1997 по 2007р.: динаміка виконання федерального бюджету по доходах, темпів приросту ВВП, експорту. Порівняльний аналіз темпів приросту світового ВВП, ВВП Росії і країн СНД без Росії.

Проблеми відносин підлог. Причини труднощів у шлюбі, що виникають у сучасному суспільстві. Проблема дисгармонії інтимних відносин чоловіків. Чоловічі риси, що забезпечують успішність шлюбу. Особливості гендерних досліджень. Фізіологічні і психічні розходження чоловіків і жінок.

МЕХАНІЗМ ДИФУЗІЇ

Для легування поверхні напівпровідникових пластин при виготовленні ИМС используютдиффузию і іонне легування. Дифузія є найбільш широко поширеним методом легування.

Дифузія - це процес перенесення домішок з області з високойв область з низькою концентрацією, стимульоване високою температурою.

Атоми електрично активних домішок, проходячи через поверхню напівпровідникового матеріалу, диффундируют в гратку кристала і утворять областир-або n-типу електропровідності. Методом дифузії формують активні, пасивні елементи ИМС і ізоляцію. Звичайно використовують локальну дифузію із застосуванням захисних масок з діелектричних плівок. При тотальній дифузії заганяють домішки у всю поверхню напівпровідникової пластини, що не має маскуючих плівок.

Можливі чотири механізми дифузії: вакансионний, межузельний, естафетний і краудионний.

Вакансионний механізм зумовлений наявністю в монокристалі точкових дефектів (вакансій - пустих, незайнятих вузлів кристалічної гратки) і межузельних атомів. При підвищеній температурі атоми у вузлах кристалічної гратки коливаються поблизу рівноважного положення. Час від часу вони придбавають енергію, достатню для того, щоб віддалитися з вузла, і становятсямежузельними. У гратці появляетсявакансия. Сусідній атом, будь те атом домішки або власний атом напівпровідникового матеріалу, може мігрувати на місце цієї вакансії. Якщо мігруючий атом являетсясобственним, то происходитсамодиффузия, а еслипримесним - домішкова дифузія.

При межузельном механізмі атом переходить з одного положення в інше, не попадаючи при цьому у вузли кристалічної гратки, т. е. відбувається пряме переміщення атомів по міжвузловинах. Такий механізм найбільш вірогідний для домішок, атоми яких мають малі розміри. Вільні атоми легше переміщаються по міжвузловинах, оскільки вони слабіше пов'язані з граткою, ніж атоми, що знаходяться у вузлах.

Якщо рух межузельних атомів, коли в процесі переміщення вони витісняють атом з вузла гратки і заміняють його, а витіснений атом, в свою чергу, стає межузельним - те такий механізм переміщення власних або домішкових атомів називаютмеханизмом непрямого переміщення атомів помеждоузлиямилиестафетниммеханизмом.

Якщо межузельний атом витісняє атом, що знаходиться що знаходиться у вузлі, зміщаючи його на період гратки, то механізм дифузії називаетсякраудионним.

Дифузія в кремній елементів III і V груп періодичної системи відбувається в основному по вакансионному механізму. Елементи I і VIII груп, що мають малий іонний радіус, відносяться до бистродиффундирующим домішок (в кремній), їх дифузія відбувається по механізму прямого переміщення атомів по міжвузловинах.

ВИДИ І ДЖЕРЕЛА ЛЕГУЮЧИХ ДОМІШОК

Як легуючі домішки використовують елементи Ш і V груп періодичної системи. Для кремнію - це бор (В) - акцепторная домішка, що створює області р-типу електропровідності, фосфор (Р), миш'як (As) і сурма (Sb) - донорние домішки, що створюють області n-типу.

Акцепторние домішки диффундируют швидше, ніж донорние через менший іонний радіус. Кількість домішки, яку можна ввести в пластину, не перевищує її граничної розчинності при даній температурі в кремній (див. табл.).

Домішка

Максимальна розчинність, ат/см -3

Температура, 0 З

Алюміній

10 19 -10 20

1150

Бор

5. 10 20

1200

Фосфор

1,3. 10 21

1150

Сурма

6. 10 19

1300

Миш'як

2. 10 21

1150

Золото

10 12

1300

Важливе значення має диффузиянеконтролируемих домішок (міді, заліза, золота, алюмінію і інш.), які можуть попасти в приповерхностний шар напівпровідникових пластин з оснащення, отмивочних серед і т. д. Швидкість дифузії цих домішок, що відносяться до I і VIII групам періодичної системи, на декілька порядків вище, ніж що легують, і може привести до небажаних змін властивостей активних областей приладів. Це визначає жорсткі вимоги до чистоти проведення дифузійних процесів, що виключають можливість попадання в робочий об'єм дифузійного реактора неконтрольованих домішок.

Джерела легуючих примесеймогут битьтвердие, рідкі і газоподібні.

Так, источникамибораслужат: тверді - В203і Н3В03, рідкий ВВг3, газоподібні - галогениди бора ВС13, BF3, ВI3і диборан В2Нб.

Істочникаміфосфораявляются: тверді - P2O5, фосфати амоній NH4H2PO4и (NH4)2HP04, зрідка елементарний червоний фосфор, рідкі - РОС13, РВr3і РС13, газоподібний - фосфин РН3.

У якості источниковмишьякаприменяют: тверді - порошок кремнію, легований миш'яком до межі розчинності, оксид миш'яку As2O3и газоподібний AsH3.

Для диффузиисурьмииспользуют тверді джерела - триоксид сурми Sb203, газоподібний SbH3(стибин).

Подрібнені частинки твердих джерел вміщують в касету в низькотемпературній зоні дифузійного реактора. Для подачі рідких джерел в зону дифузії використовують спеціальні живильники. Газоподібні диффузанти подають в реактор по магістралях з балонів, змішуючи їх з газом-носієм в заданих пропорціях. Основним недоліком при використанні газоподібних диффузантов є їх токсичность, в зв'язку з чим необхідні спеціальні конструкції герметичних реакторів. Однак при використанні газоподібних диффузантов легше дозувати кількість домішки, що вводиться і отримувати більш високу рівномірність легування.

Знаходять застосування такжеповерхностние джерела домішки- шари домішкового-силікатного скла, що наноситься на поверхню напівпровідникових пластин з рідких розчинів - емульситонов.

Останнім часом як джерела домішки використовують пластини з матеріалів, вмісних легуючу домішку (наприклад, з нитрида бора BN), що мають ті ж розміри, що і робітники напівпровідникові. Їх встановлюють в касету, чергуючи з напівпровідниковими, і нагрівають в потоку азоту з киснем. З течією часу поверхня джерел покривається шаром оксиду, перешкоджаючого випаровуванню домішки. Тому їх періодично подвергаютрегенерації. Використання пластин-джерел дозволяє отримувати високу рівномірність легування поверхні робочих пластин.

При взаємодії з поверхнею пластин джерело домішки не повинне утворювати трудноудаляемих з'єднань, що ускладняють процес дифузії. Крім того, він повинен мати високу міру чистоти, що виключає забруднення поверхні пластин. Важливо, щоб джерело не було дефіцитним, токсичним, вибухонебезпечним.

РОЗПОДІЛ ДОМІШКИ ПРИ ДИФУЗІЇ

З НЕСКІНЧЕННОГО І ОБМЕЖЕНОГО ДЖЕРЕЛ

При формуванні ИМС зустрічаються два випадки дифузії: избесконечного і обмеженого джерел.

Під дифузією з нескінченного (постійного) джерела розуміють такий стан системи, коли кількість домішки, що йде з приповерхностного шара напівпровідникового матеріалу, заповнюється рівною кількістю, що поступає ззовні. При цьому поверхнева концентрація домішки залишається постійною, але різко убуває по глибині р-n-переходу (див. мал.).

При використанні обмеженого источникав приповерхностном шарі є кінцева кількість атомів домішки, що йдуть атоми не заповнюються і поверхнева концентрація домішки згодом меншає.

Показане на малюнку распределениеN(х) відповідає теоретично розрахованому. Реальний розподіл дещо складніше за рахунок впливу дифузії, що протікає в інших напрямах, відмінних від нормали до поверхні пластини, і наявності раніше введених в матеріал домішок.

При локальній дифузії потрібно враховувати викривлення її фронту у краю вікна в маскуючому оксиді (див. мал.), яке збільшує розміри дифузійної області на Dl і впливає на форму p-n-переходу. У структурах з малими розмірами вікон ширина p-n-переходів може бути завищена і неоднорідна по пластині. Значення Dl можуть досягати 0,8 xj.

1- маскуючий оксид;

2- дифузійна область;

3- пластина;

l 1 - розмір вікна в оксиді;

l 2 - розмір отриманої дифузійної області;

Dl - уширювати дифузійної області за рахунок викривлення фронту дифузії;

х j - глибина p-n-переходу

СПОСОБИ ПРОВЕДЕННЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФУЗІЇ

При створенні активних і ізолюючих областей ИМС часто используютдвухстадийную дифузію (мал. нижче).

Для цього спочатку в поверхню напівпровідникового материала2с нанесеним на неї маскуючим шаром оксида1вводят певна кількість легуючої домішки з нескінченного джерела, створюючи її високу поверхневу концентрацію при невеликій глибині дифузійної області ( "загонка" домішки) (рису, б).

Першу стадиюпроводят при порівняно невисоких температурах (950 - 1050° З) в окислювальній атмосфері. На поверхню наносять шар домішкового-силікатного стекла4(поверхневе джерело), під яким формується високолегированний об'ємний источник3(мал. би).

Другу стадія-дифузійний відпал, звану "разгонкой" (мал. в), проводять заздалегідь видаливши домішковий - силікатне скло. Температура другої стадії вище за 1050-12300С. Домішки, введені на першій стадії, перерозподіляються, їх поверхнева концентрація меншає, а глибина проникнення в напівпровідниковий матеріал збільшується до заданої xj. Створюється необхідна дифузійна область5. Температура і тривалість другої стадії дифузії

визначаються заданими параметрами p-n-переходу. Процес ведуть в окислювальному середовищі, одночасно формуючи маскуючу пленку6для подальшої фотолітографії.

Необхідність проведення двухстадийной дифузії при легуванні бором пов'язана з тим, що потрібно отримувати розподіл з порівняно невисокою поверхневою концентрацією, а за допомогою одностадийной дифузії це не завжди вдається.

Для інших домішок двухстадийная дифузія забезпечує задані параметри р-n-переходів і можливість отримання маскуючого оксиду і запобігання ерозії поверхні пластин при дифузії. Двухстадийную дифузію проводять різними способами.

Найбільш широко в технології виробництва ИМС используютспособдиффузії в откритойтрубе:

Він є основним для первойстадії. Кремнієві пластини4(від 50 до 200 шт.) завантажують в касеті в кварцову трубу3через її вихідний кінець, що повідомляється з атмосферою. Вхідний кінець труби сполучений з газової системой1подачи газу-носія.

Газоподібні диффузантиподаются з балона і перед входом в реактор змішуються сазотом і киснем. У зоні реакцииобразуется оксид легуючого елемента, а на поверхні кремнієвих пластин виділяється елементарна домішка. Наприклад, процес дифузії фосфору супроводиться реакціями:

в трубі: 2PH3= 3H2+ 2P

4P + 5O2= 2P2O5

на поверхні Si: 2P2O5+ 5Si = 5SiO2+ 4P.

Пари рідких даффузантов з дозатора розбавляються газом-носієм і також утворять оксиди відповідних елементів, наприклад:

4РОС13+302- > 2Р205+4С12

Дифузія з газоподібних і рідких джерел проводиться в однозонной дифузійній печі з резистивними нагревателями5(див. мал.).

При проведенні дифузії з твердого джерела в ряді випадків використовують двухзонние печі з нагрівником 5 (мал. би). При цьому в низькотемпературній зоні вміщують джерело домішки 2, а у високотемпературній - касету з пластинами4.

Газ-носій, поступаючи з системи подачі 1, витісняє з кварцової труби повітря, яке віддаляється через отверстие6. Проходячи через зону джерела домішки, газ-носій захоплює атоми домішки і переносить їх в зону розташування пластин. Атоми адсорбуються на поверхні і диффундируют в глибочину кремнієвих пластин.

У якості поверхневого источникаиспользуютлегированние оксиди, домішкове-силікатне скло, плівки металів (наприклад, золота), шари легованого поликристаллического кремнію. Дифузію проводять в слабо окислювальному середовищі.

Спосіб дифузії у відкритій трубі дозволяє легко управляти складом парогазовой суміші, швидкістю потоку газу і забезпечує необхідний профіль розподілу домішок. Воспроизводимость параметрів дифузії від пластини до пластини і по площі кожної пластини залежить від розподілу температури в робочій зоні печі, числа пластин, їх розташування відносно газового потоку, типу диффузанта, чистоти проведення процесу.

Дифузію в замкненому об'ємі (ампульний спосіб) проводять в кварцової ампуле2, в яку вміщують пластини4и джерело домішки 5, відкачують її до залишкового тиску 10-2- 10-1Па або заповнюють інертним газом і запаюють (див. рис). Перед використанням ампулу ретельно очищають і прокаливают у вакуумі при температурі 1200°З протягом двох годин. Ампулу вводять в кварцову трубу 1диффузионной печі з нагревателем3.

При нагріванні джерела пари домішки осаждаются на поверхні напівпровідникових пластин і диффундируют в глибочину неї. Ампульним способомможно провести диффузиюмишьяка, бора, сурми, фосфорас однорідністю легування до ± 2,5%. Його достоїнством є мінімальна токсичность, оскільки процес відбувається в замкненому об'ємі.

Після проведення процесу ампулу руйнують (розкривають). Те, що вона має одноразове використання, сильно здорожувати процес. У цей час ампульний спосіб застосовують переважно при дифузії миш'яку.

Дифузія в полугерметичном об'ємі (бокс-метод) є проміжним способом між дифузією у відкритій трубі і в ампулі. Так само, як в останньому випадку, пластини4и джерело примеси5помещают в кварцову ампулу (бокс) 2, але не запаюють її, а закривають пришлифованной кварцовою кришкою 7, що забезпечує невеликий зазор (див. рис). Ампулу вміщують у вихідного отвору 6 кварцової труби 1 дифузійної печі з нагревателем3, через яку продувають інертний газ. Газ відносить сліди кисня і вологи з ампули, після чого її закривають кришкою і проводять дифузійний процес.

У порівнянні з дифузією у відкритій трубі бокс-метод менш чутливий до швидкості потоку газу-носія і дозволяє в більш широких межах регулювати поверхневу концентрацію домішки. Перевагою перед ампульним способом є можливість багаторазового застосування кварцової ампули.

ДЕФЕКТИ І КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВДИФФУЗИОННИХ ШАРІВ

При дифузії на поверхні пластин образуютсямакро- і микродефекти.

До макродефектамотносятся ерозионние ямки, сильно леговані "трубки", дільниці з виділенням другої фази, термічні ямки труєння, нерівномірність дифузійного фронту по глибині, лінії ковзання.

Ерозионние ямкиобразуются при проведенні дифузії в атмосфері сухого азоту за рахунок виникнення порушень поверхні, пов'язаних з испаренеием деяких хімічних сполук, які синтезуються на ній при деяких умовах. Для запобігання ерозії в парогазовую суміш додають кисень.

Скупчення диффузанта в окремих дільницях поверхні може привести до появлениюсильно легованих "трубок", що мають аномально високу провідність. «Трубки» утворяться також через прискорену дифузію в областях структурних дефектів кремнію, наприклад, по дислокаціях.

При тривалому нагріві з високими температурами возникаюттермические ямки травленияиз-за зростання одних кристаллографических поверхонь за рахунок інших.

Утворення другий фазипроисходит через випадання скупчень атомів металів, таких, какмедь, золото, железоили їх твердих розчинів в напівпровідниковому материалеи на дефектах типу дислокацій.

Скупчення дислокацій в приповерхностном шарі може викликати инеравномерность дифузійного фронту по глибині: в місцях порушень кристалічної гратки меншає енергія активації і зростає коефіцієнт дифузії домішок, внаслідок чого глибина дифузії виявляється більше, ніж в непорушених областях:

D = D0exp (-Ea/ kT).

Лінії скольженияпри дифузії утворяться по тих же причинах, що і при окисленні, і для зменшення їх генерації необхідно використати "м'які" режими нагріву і охолоджування пластин.

До микродефектам относятдислокацииидефекти упаковки.

Основною причиною возникновениядислокацийявляется впровадження в гратку напівпровідникового матеріалу домішок, розміри атомів яких відрізняються від розмірів атомів гратки (див. табл.).

Це приводить до появи механічних напружень розтягнення або стиснення (див. мал.).

Якщо рівень напружень перевищує межу текучості матеріалу, то при високих температурах произойдетрелаксация (скидання) напружень, що супроводиться пластичною деформацією (спотворенням кристалічної гратки) і образованиемкраевихивинтовихдислокаций (див. мал.).

Дефекти упаковкиобразуются через порушення чергування площин кристалічної гратки при високотемпературному нагріві і взаємодії напівпровідникового матеріалу з киснем. Дислокації і дефекти упаковки можуть привести до погіршення параметрів ИМС.

Микродефекти і лінії ковзання виявляють селективним труєнням у відповідних травителях в залежності від кристаллографической орієнтації поверхні пластин (див. табл.).

Після труєння і хімічної обробки пластини переглядають під мікроскопом при збільшенні 200хи підраховують число микродефектов в декількох полях зору. У поле зору мікроскопа дислокації і дефекти упаковки мають вигляд, показаний на малюнку нижче.

Потім розраховують середню густину дислокацій і дефектів упаковки:

NД= (SNi) / nS; i= від 1 до n

гдеNд-густина дислокацій або дефектів упаковки відповідно на 1 см2; Ni-число дефектів в полі зору мікроскопа; n - число переглянених полів зору;S-площа поля зору, см2.

Заповнення лініями ковзання поверхні кремнієвих пластин оцінюють по значенню коефіцієнта заповнення, рівного відношенню площі заповненої лініями ковзання, до всієї площі пластин.

Площу, заповнену лініями ковзання, визначають під пучком осветителя за допомогою шаблона-сітки по сумарному числу осередків цієї сітки, в які попадають лінії ковзання. Площа одного осередку 25 мм2. Макродефекти аналізують під мікроскопом без труєння.

Поверхня після дифузії вважається якісною, якщо густина дислокацій і дефектів упаковки знаходиться в межах 101-102см -2, коефіцієнт заповнення лініями ковзання не більше за 0,05; ерозії і термічних ямок труєння немає, нерівномірність дифузійного фронту (по глибині) знаходиться в межах 5 - 10%от середньої товщини шара.

Контроль дифузійних шарів проводять по наступних параметрах:

- глибина залягання p-n-переходу,

- питомий поверхневий опір,

- поверхнева концентрація примесии

- профіль розподілу домішки.

Найбільш поширеним методом контроляглубинизалегания р-п-переходаявляетсяметод фарбування (хімічного декорування) сферическогошлифа.

Сферичний шліф виготовляють за допомогою стальної кулі, що обертається діаметром 35 - 100 мм, змазаного алмазною пастою зернистостью < 1 мкм, до якого притискують робочу сторону контрольованої пластини3(див. мал. нижче).

Глибина сферичної лунки1должна перевищувати глибину p-n-переходу xj. Межу р-n-переходу виявляють хімічним фарбуванням p концентрованій фтористоводородной кислоті HF при інтенсивному освітленні. Для фарбування n-області використовують водний розчин мідного купоросу CuS04- 5Н20 з добавкою 0,1 % концентрованої HF. Леговані дифузією області кремнію р-типу після фарбування будуть виглядати темніше навколишнього матеріалу, а області n-типу - покриті осажденной міддю.

На забарвлених шліфах під мікроскопом вимірюють довжину l хорди4, по якій визначають глибину залеганияр-п-переходу (товщину дифузійного слоя2):Xj= l2/ (4D), гдеD- діаметр кулі.

Погрішність методу ~ 10%вдиапазоне глибин від 2 до 10 мкм.

Метод фарбування сферичного шліфа непридатний для контролю глибини дрібних ( < 1 мкм) р-n-переходів через велику погрішність. У цьому випадку используютфотоелектрический метод скануванні поверхностицилиндрического шліфа сфокусированним лазерним пучком (зондом) з реєстрацією кривих фототока (фотоответа) і інтерференції.

Використовують установку ЛПМ-11 з довжиною хвилі випромінювання X = 0,44 мкм, оптико-механічним вузлом, предметним столом і реєструючим приладом (самописцем).

Цим методом можна також контролювати іонно-леговані і епитаксиальние p-n-переходи глибиною 0,2-10 мкм з погрішністю ~ 3 %.

Поверхневе сопротивлениедиффузионного слояRsизмеряют четирехзондовим методом (див. мал. нижче).

Струм I пропускають між зовнішніми 1зондами і вимірюють падіння напряженияUмежду внутренними2зондами. Потім рассчитиваютRs= (U/I).K, де

До - коефіцієнт корекції, що залежить від размероваобразца і расстоянияSмежду зондами. При великому відношенні (а/S) цей коефіцієнт рівний 4,53, т. е.

Rs= 4,53U/I.

Воспроизводимость методу становить ± 2%при стабільних значеннях тиску на зонди і рівня струму.

Для определенияповерхностной концентрацииNsлегирующей домішки необхідно знати характер розподілу домішки в дифузійній області. Існують графіки (кривиеИрвина), зв'язуючі поверхневу концентрацію і середній питомий опір r, розраховані для дифузійних профілів.

Середнє значення питомого опору знаходять по формулі:

r =Rsхj

а потім по кривим Ірвіна або таблицям визначають Ns.

Профіль розподілу примесиопределяют методами:

- диференціальної провідності з послойним підбуренням,

- С-U-методом (метод вольт - фарадних характеристик),

- методом опору розтікатися.

Дифференциальнийметод- найстаріший, досить інформативний, але дуже трудомісткий. Він складається у вимірюваннях поверхневого опору, що повторюються четирехзондовим методом після видалення тонких поверхневих шарів кремнію анодним окисленням і труєнням отриманого оксиду в розчині HF.

При использованииC-U-методаопределяют значення ємності зворотно зміщеного р-n-переходу в залежності від прикладеного напруження.

Найбільш широко в цей час применяютметод сопротивлениярастекания, при якому двома зондами вимірюють опір на косому шліфі і після обробки результатів отримують профіль розподілу Ns.

Для контролю вже поставленого технологічного процесу досить вимірювати xjиRs, а також товщину шара домішковий - силікатного скла, отриманого послепервойстадії дифузії, і оксиду - послевторойстадії.

Товщина цих шарів і її рівномірність свідчать про відповідність режимів проведення дифузійного процесу заданим. Крім того, значення товщини повинні бути відомі для правильного вибору часу труєння при знятті скла після першої стадії дифузії і оксиду після другої для подальшої фотолітографії, а також при проведенні процесу іонного легування через оксид, освічений на другій стадії дифузії.