WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 | 3 |

«ВВЕДЕНИЕ Быстрое развитие микроэлектронных технологий, рост степени интеграции и функциональной сложности привели к тому, что основу элементной базы большинства ...»

-- [ Страница 1 ] --

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие микроэлектронных технологий, рост степени интеграции и функциональной сложности привели к тому, что основу элементной

базы большинства современных радиоэлектронных и вычислительных устройств составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и

СБИС), содержащие сотни тысяч и миллионы транзисторных структур на

полупроводниковом кристалле. При этом все шире используются специализированные (заказные и полузаказные) СБИС, при помощи которых достигается значительное улучшение технико-экономических характеристик аппаратуры конкретного назначения [1]. Основные исторические факты ярко свидетельствуют о темпах развития микроэлектроники.

В 1947 году Шокли, Бардином и Бреттейном был изобретен биполярный транзистор, с успехом заменивший электронные лампы, использовавшиеся с 1904 года - года изобретения Флемингом лампового диода. В 1951 году изобретен МОП-транзистор. Точнее, МОП-транзистор как таковой был изобретен гораздо раньше, еще в 1925 году, но не нашел промышленного применения в то время в основном из-за неудовлетворительных характеристик. В 1957 году разработан метод фотолитографии. Первая в мире интегральная схема появилась в 1958 году, а годом позднее, в 1959, в Таганрогском радиотехническом институте изготовлена первая в нашей стране полупроводниковая интегральная схема. То есть современные СБИС от первого транзистора отделяют всего 50 лет.

Для иллюстрации масштабов революции, произошедшей за эти годы в развитии микроэлектроники, интересно провести сравнение между одной из первых ЭВМ ENIAC, разработанной в 1946 году, и карманным калькулятором НР-67 фирмы Hewlett-Packard, выпущенным в 1978 г. Машина ENIAC содержала 18000 электронных ламп, занимала площадь 300 м2, весила 30 т, потребляла 50 кВт мощности и стоила 480000 долларов. Калькулятор НР-67 при той же вычислительной мощности и разрядной сетке содержал 17500 транзисторов на кристалле площадью 3,9 мм2, потреблял 0,5 Вт, весил около 300 г и стоил в 1980 году 375 долларов [2]. Фактически калькулятор НР-67 - это ENIAC, умещенный на ладони.

Такой бурный прогресс в развитии интегральных схем стал возможен благодаря успехам во многих областях науки и техники: микроэлектронной технологии, методах проектирования, математическом моделировании, языках описания проектов, методах повышения надежности систем и процента выхода годных и многих других. Изучение последних достижений в перечисленных областях и является целью данного курса.




Интересно, что быстрое развитие техники и технологии интегральных схем (ИС) не является стихийным. В темпах роста степени интеграции ИС прослеживается определенная закономерность.

В 1965 году Гордон Мур, директор Research & Development Laboratories, опубликовал статью в журнале “Electronics”, в которой дал прогноз на ближайшие 10 лет по темпам развития индустрии полупроводниковых интегральных схем в виде простого графика в полулогарифмическом масштабе (рис. 1).

График предсказывал ежегодное удвоение числа элементов на кристалл и, по словам самого автора, был получен экстраполяцией по нескольким точкам.

В качестве первой точки Мур использовал разработку планарного транзистора и первых интегральных схем в 1958-59 гг. Второй точкой явились разработанные в 1962-64 гг. инте- гральные схемы, содержащие 32 компонента.

Третьей точкой были разрабатываемые в его лаборатории микросхемы, содержащие компонента и преднаРис. 1. Прогноз темпов роста степени интеграции значенные для реализана 1959 - 1975 гг. ции в конце 1965 года.

Проведя экстраполяцию, Мур пришел к выводу, что к 1975 году станет возможным размещение до 65000 компонентов на одном кристалле.

Мур вновь вернулся к данной теме в 1975 году в статье, опубликованной в журнале International Electron Devices Meeting. Его десятилетний прогноз подтвердился. Интегральная схема памяти, произведенная корпорацией Intel, содержала 65000 компонентов.

Позднее Мур продолжил свой график на период с 1975 по 2005 год. Но теперь он предсказывал удвоение сложности интегральных схем каждые 1, года. Этот график получил название “Закон Мура”. Причем были построены отдельные зависимости для микропроцессоров и схем памяти, которые также нашли подтверждение в настоящее время (рис. 2). Микропроцессор фирмы Motorola - Power PC содержит 7 млн. транзисторов, Intel Pentium II - 7,5 млн.

транзисторов, 64-разрядный микропроцессор Альфа фирмы Digital Equipment содержит 10 млн. транзисторов, фирма NEC недавно объявила о разработке кристалла ОЗУ емкостью 4 Гбита, серийный выпуск которого ожидается к 2000 году. А к 2010 году предполагается достичь рубежа в 1 трл. бит.

Кроме того, исследования, проведенные в различных областях, показали, что закон Мура носит не локальный характер, а распространяется и на многие смежные отрасли индустрии. Например, в 1995 году аналогичная зависимость была установлена для сложности программного кода продуктов фирмы Рис. 2. Прогноз темпов роста степени интеграции на Microsoft. 1972 - 1998 гг. по микропроцессорам и схемам памяти Между тем совершенно ясно, что такая тенденция роста сложности интегральных схем не может продолжаться вечно. С увеличением степени интеграции и уменьшением размеров полупроводниковых компонентов все сильнее проявляют себя ограничивающие факторы. Это, прежде всего, предельные физические ограничения размеров структур на основе кремния и других полупроводниковых материалов. Кроме того, сокращение размеров полупроводниковых компонентов и повышение степени интеграции требует дополнительных капитальных вложений в науку и производство. Причем, согласно исследованию Мура (1995), капитальные вложения растут экспоненциально с ростом плотности размещения компонентов.





Так, стоимость нового завода по производству интегральных схем возросла с 14 млн. долларов в 1966 году до 1,5 млрд. в 1995. В 1998 году эта стоимость достигла в среднем 3 млрд. долларов. Это приводит к тому, что уменьшать размеры полупроводниковых интегральных транзисторов после 2003 - 2005 года станет экономически невыгодно. Поэтому считается, что справедливость закона Мура ограничивается максимум 2010 годом.

Однако данные исследования проводились применительно к планарным и изопланарным технологиям. Но в настоящее время интенсивно развиваются новые микроэлектронные технологии. Наиболее перспективными из них считаются технология получения биполярных интегральных структур на основе гетеропереходов “кремний - германий”, технологии, связанные с использованием арсенида галлия и карбида кремния, технологии получения структур “кремний на диэлектрике” (КНД) методом слияния двух пластин и методом имплантации ионов кислорода (SIMOX-технология), которые уже сейчас выходят на уровень серийного производства и используются многими ведущими корпорациями [3].

В качестве примера остановимся более подробно на SIMOX-технологии.

В отличие от технологии “кремний на сапфире”, использующей сходство кристаллических решеток кремния и сапфира для выращивания монокристаллов кремния, и технологии лазерной рекристаллизации кремния, эпитаксиально выращенного на диэлектрике, которые характеризуются сложностью техпроцесса и сравнительно невысоким качеством получаемых структур, ограничивающим их применение, в SIMOX-технологии тонкая пленка монокристаллического кремния формируется посредством имплантации ионов кислорода.

Для профиля распределения концентрации имплантированной примеси характерен максимум на глубине, равной средней проекции пробега ионов часов подвергается отжигу при темпеРис. 3. Профиль распределения конратуре 13000С, в результате чего форцентрации имплантированных иомируется скрытый слой окисла SiO нов кислорода толщиной примерно 380 нм, отделяющий верхний слой качественного монокристаллического кремния толщиной около 200 нм от подложки (рис. 4).

Процесс ионной имплантации позволяет с высокой точностью контролировать значения толщины формируемых слоев кремния и скрытого окисла и, таким образом, обеспечивает высокую степень воспроизводимости КНДпластин, а полученные на основе данных пластин биполярные и МДПструктуры позволяют в 2 - 5 раз повысить эффективность использования площади кристалла, а также значительно улучшить характеристики интегральных схем.

Примером может служить МДП-транзистор на SIMOX-пластине. Благодаря тому, что он выполнен в тонком слое кремния, отделенном от подложки скрытым окислом, он характеризуется очень малыми значениями паразитных емкостей и токов утечки (площадь стокового и истокового р-n-переходов пренебрежимо мала). Это значительно повышает предельное быстродействие.

Дополнительного сокращения задержек переключения достигают, соединяя затвор транзистора с областью канала. При этом паразитный биполярный транзистор оказывается подключенным параллельно МДП-транзистору: исток выступает в роли эмиттера, подложка - базы, а сток - коллектора (рис. 5). При подаче на затвор входных импульсов основной и паразитный транзисторы отпираются и запираются синхронно, тем самым значительно повышая удельную крутизну структуры и сокращая время переключения. При этом коэффициент передачи тока биполярной структуры в схеме с общим эмиттером равен примерно 500, что свидетельствует о высокой эффективности и больших перспективах КНД-структур.

Следует отметить, что параллельно с полупроводниковыми в настоящее время успешно развиваются другие перспективные технологии.

Например, биоэлектроника, оптоэлектроника, использование явления сверхпроводимости, интерес к которому значительно возрос с появлением сверхпроводящей керамики, не требующей криогенных температур для поддержания сверхпроводящего состояния.

Недавно появились публикации о так называемых “спиновых транзисторах”, изготавли- Рис. 4. Структура SIMOXваемых на основе металлических и феррит- пластины гранатных пленок. В этих транзисторах полупроводниковые материалы полностью отсутствуют.

Тело транзистора составляет металлическая пленка. Роль переходов “база-эмиттер” и “база-коллектор” выполняют феррит-гранатные пленки.

Направление их намагниченности изменяется токовыми аппликациями. При этом если “эмиттерная” и “коллекторная” феррит-гранатные пленки намагничены в одном направлении, транзистор находится в проводящем состоянии, в противном случае - в непроводящем. Иными словами, подавая имРис. 5. МДП-транзистор на SIMOXпластине пульсы тока в токовую аппликацию, изменяющую намагниченность “эмиттерной” феррит-гранатной пленки, можно осуществлять управление током транзистора. Причем по завершении действия управляющего импульса тока намагниченность ферритовой пленки сохраняется, что обуславливает высокую экономичность и радиационную стойкость спиновых транзисторов.

Кроме того, данные структуры характеризуются предельно малым временем переключения и способностью рассеивать большое количество теплоты, поскольку сами материалы являются прекрасными проводниками тепла.

Устройства памяти на спиновых транзисторах сочетают в себе все преимущества ОЗУ и ПЗУ: обеспечивают малое время доступа, высокую плотность размещения, энергонезависимость и радиационную стойкость. При этом уменьшение размеров спиновых транзисторов приводит к значительному улучшению их характеристик и ограничивается лишь возможностями современных методов литографии.

Еще одним перспективным направлением являются проводимые в настоящее время исследования по созданию устройств памяти, способных изменять информационное состояние посредством захвата или отдачи всего одного электрона.

Поэтому, возможно, ожидаемое сокращение темпов роста сложности полупроводниковых интегральных схем в ближайшие несколько лет свидетельствует о предстоящем качественном скачке в развитии науки и техники, который откроет новые перспективы научно-технического прогресса.

1. ОСНОВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СБИС

Уменьшение размеров полупроводниковых структур - основная тенденция развития интегральной электроники. Но уменьшать проектные нормы можно лишь до тех пор, пока не будут достигнуты минимальные размеры с точки зрения физических принципов работы приборов или имеющихся возможностей получения требуемых размеров и допусков.

Основные ограничения, свойственные планарному циклу производства интегральных схем связаны с изготовлением шаблонов и проявлением рисунков. В настоящее время электронно-лучевая литография позволяет получать структурные области с минимальными размерами до 300 нм с резкостью краев порядка 10 нм. Ионно-лучевая литография обладает еще большими возможностями. При ее использовании ожидается освоение размеров менее 10 нм. Кроме того, ионные пучки позволяют решить проблему управляемого травления после прорисовки рисунка [4].

Следует иметь в виду, что для описания работы приборов, области которых содержат менее 1000 атомов, традиционные математические модели и методы, основанные на статистических макроприближениях, не могут быть использованы. В данном случае необходимо учитывать квантовые эффекты и использовать модели и методы квантовой механики. В настоящее время данные методы и модели развиты недостаточно.

Любой микроэлектронный компонент предполагает индивидуальные ограничения на уменьшение размеров в зависимости от особенностей функционирования. Поэтому для выработки общих рекомендаций необходимо провести соответствующий анализ для компонентов каждого типа.

Ограничения на размеры основных микроэлектронных компонентов, производимых промышленностью, определенные на основе современных представлений о функционировании данных компонентов, приведены в табл. [5].

Ограничения на размеры основных микроэлектронных компонентов Линии задержки на ПАВ Поверхностная длина волны 250 В качестве примера проведем анализ ограничений на предельные размеры МДП-транзисторов (рис. 6). Возможности приборов других типов могут быть определены аналогичным путем.

Принцип действия МДП-транзистора состоит в управлении потоком электронов между истоком и стоком с помощью заряда на затворе. Для сравнительно небольшого напряжения между истоком и стоком UСИ среднее время пролета свободного носителя заряда от истока к стоку определяется следующим образом:

где L - длина канала; v - средняя скорость носителей; µ - подвижность носителей; E = UСИ/L - напряженность электрического поля в канале [5].

Затвор, отделенный от подложки диэлектриком толщиной d, обладает емкостью где UЗИ - напряжение между затвором и истоком; UПОР - пороговое напряжение.

Мощность Р и энергия Pt переключения определяются следующим образом:

Рассмотрим последствия уменьшения размеров транзистора в n раз (n1):

где L`, W`, d` - новые значения длины канала, ширины канала и толщины подзатворного диэлектрика соответственно.

Во избежание пробоя диэлектрика затвора, напряженность поля при уменьшении толщины диэлектрика должна остаться неизменной. Следовательно, необходимо в n раз снизить напряжения Из выражений (1) - (6) следует, что в результате пропорционального уменьшения размеров и напряжений МДП-транзистора время пролета, емкость затвора, сила тока, мощность и энергия переключения изменятся в соответствии со следующими соотношениями:

Из приведенных выражений видно, что пропорциональное сокращение размеров МДП-транзисторов, которое принято называть масштабированием, приводит к улучшению их характеристик. Особенно это касается энергии переключения, которая уменьшается в n3 раз и является комплексной характеристикой, часто используемой для сравнения интегральных схем, выполненных на основе различных технологий.

Исключением в данном случае является плотность тока jС, определяемая выражением где S - площадь поперечного сечения проводника.

При выполнении масштабирования получим Таким образом, плотность тока возрастет в n раз, что является ограничением на пути получения субмикронных размеров. При значительных плотностях токов в проводниках начинает заметно проявлять себя электромиграция процесс перемещения атомов металла под действием электрических сил, что приводит к быстрому разрушению проводников. Например, для алюминиевых проводников интегральных микросхем плотность тока не должна превышать 106 А/см2.

При длине канала L = 1 мкм, ширине канала W = 4 мкм, толщине диэлектрика d = 50 нм (в качестве диэлектрика в кремниевых МДП-транзисторах, как правило, используется оксид кремния SiO2), при максимальных значениях напряжений сток-исток и затвор-исток UСИ = UЗИ = 5 В, пороговом напряжении UПОР = 1,75 В, ширине и толщине алюминиевых соединительных линий WL = 2L и dL = L/2 плотность тока в проводниках, в соответствии с выражениями (1) - (6), (14), составит jС 2,53105 А/см2.

Тогда, согласно выражению (15), максимальное значение коэффициента масштабирования, при котором электромиграция будет незначительна, составит n 4.

Подставив данное значение n в выражения (7), получим предельно допустимое значение длины канала L` 250 нм (см. табл. 1).

Ограничения, связанные с основными физическими законами, называются фундаментальными ограничениями. К ним относят квантовые ограничения и ограничения, связанные с процессом туннелирования [5].

Основное положение квантовой физики состоит в том, что любое физическое изменение, выполненное за время t, приводит к соответствующему изменению энергии E рассматриваемой системы где h - постоянная Планка.

Величина рассеиваемой за время t мощности P равна и может рассматриваться как нижний предел рассеиваемой мощности на одну операцию.

Чем меньше время выполнения операции, тем больше энергия соответствующего изменения. Таким образом, если ограничиться временем переключения интегральной структуры 10-11 с = 10 пс, то предельная энергия переключения составит примерно 10-23 Дж, что значительно меньше достигнутых на сегодняшний день значений 10-15 - 10-16 Дж [5].

Суть эффекта туннелирования заключается в следующем. Если два проводника разделены очень тонким, порядка 1 - 10 нм, слоем диэлектрика, то затухание волновой функции электронов на одной стороне диэлектрика недостаточно, чтобы получить ее нулевую амплитуду на другой стороне. Это соответствует конечной вероятности прохождения электронов через диэлектрик.

То есть ток может протекать через запрещенную (с классической точки зрения) зону.

В случае МОП-транзистора туннельный ток должен быть намного меньше любого из токов, соответствующих нормальному функционированию прибора. Поэтому данный квантовый эффект накладывает фундаментальное ограничение на толщину подзатворного диэлектрика и ширину области обедненного слоя - 1 - 10 нм. Причем этот предел в настоящее время практически достигнут [5].

Пробивная напряженность поля, концентрация примесей, плотность дислокаций также накладывают определенные ограничения на работу приборов.

Пробой диэлектрика ограничивает электрическое поле в полупроводнике и, следовательно, влияет на минимальные размеры и быстродействие. Рассмотрим минимальное время пролета носителей tmin на отрезке x:

где vmax, Emax - максимальные значения средней скорости носителей и напряженности электрического поля соответственно; Umin - минимальное значение разности потенциалов на отрезке x.

Для кремния Umin = kT/е = 0,025 B; Emax = 3 105 В/см; vmax = 8 106 см/с, где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; е - заряд электрона. Следовательно, tmin составляет примерно 10-14 с [5].

На данном этапе реально достигнутое среднее время задержки составляет порядка 0,1 нс = 10-10 с, то есть существует определенный “запас”, требующий дальнейшего совершенствования технологии с целью сокращения размеров.

Одними из основных факторов, ограничивающих пределы микроминиатюризации, являются ограничения процессов литографии, которые используют для переноса требуемого изображения на полупроводниковую пластину пучки фотонов, электронов или ионов. При этом неопределенность импульса p любой из этих частиц связана с неопределенностью ее координаты l соотношением Гейзенберга То есть положение частицы не может быть определено абсолютно точно.

В соответствии с особенностями частиц, неопределенность их координаты определяется выражениями [5]:

для фотонов для электронов где с - скорость света, Е - энергия частиц, m - масса электрона, М - масса иона.

Неопределенность координаты ограничивает резкость краев линии рисунка, переносимого на поверхность пластины. Для пучка фотонов в видимом диапазоне соответствующая размытость края составляет 0,5 мкм; для электронного пучка при энергии Е = 104 эВ - 10-2 нм. Однако, вследствие статистического распределения электронов по энергиям и из-за их взаимодействия, в пучке присутствуют и низкоэнергетические электроны, влияние которых приводит к увеличению размытости до 1 - 2 нм. А с учетом расширения пучка результирующая неопределенность при формировании границ рисунка составляет порядка 10 нм. Для ионных пучков эта величина примерно на порядок меньше, поскольку больше масса иона (см. выражение (22)) и практически отсутствует рассеяние в слое резиста.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СБИС

2.1. Методы формирования направленных потоков частиц Физические процессы, лежащие в основе субмикронной обработки материалов, достаточно разнообразны. Однако перечень средств, при помощи которых можно нанести субмикронный рисунок на поверхность кристалла СБИС, невелик. Это направленные, сфокусированные пучки электронов, ионов или фотонов в ультрафиолетовом и рентгеновском спектрах [3].

Рассмотрим основные параметры, характеризующие пучки частиц, а также методы формирования пучков заданного субмикронного сечения.

С точки зрения электронно-лучевой литографии основными достоинствами источников электронов являются [4]:

1) высокая яркость;

2) малый разброс энергий электронов;

3) стабильность характеристик.

Яркостью электронного луча называют величину, определяемую выражением где j - плотность тока луча; - половина угловой апертуры луча (рис. 7). То Разброс энергий электронов в пучке обусловлен рядом факторов, основными из которых являются разброс начальных энергий эмиттированных электронов и взаимодействие электронов в пучке, влияние которого особенно заметно при возрастании плотности электронРис. 7. Угловая апертура ного тока. Малый разброс энергий электронов электронного луча необходим для получения луча с малыми искажениями (аберрациями) для формирования качественного микрорисунка.

Электронный луч, испускаемый источником, фокусируется с помощью электронных линз, затем проходит через отклоняющую систему и падает на поверхность образца. При этом угол отклонения электрона линзой определяется энергией электрона. Поэтому разброс энергий приводит к разбросу углов отклонения электронов линзами и, соответственно, к искажению рисунка, формируемого на пластине.

Стабильность параметров источника электронов также очень важна, поскольку изменения яркости источника или плотности тока луча приводят к недостаточному или избыточному экспонированию резиста и, в конечном итоге, - к снижению четкости рисунка.

Источник электронов принято называть электронной пушкой. Существуют пушки с термоэмиссионным и автоэмиссионным катодами.

В первом случае металлический катод нагревают до высокой температуры. При этом с поверхности металла “испаряются” электроны, энергия которых достаточна для совершения работы выхода (рис. 8). На поверхность металла изнутри падает ток плотностью где n0 - концентрация свободных электронов в металле, составляющая примерно 1023 см-3; vx - нормальная к поверхности составляющая скорости электронов, которая для энергий около уровня Ферми имеет значение примерно 108 см/с; е - заряд электрона (1,610-19 Кл). Таким образом, плотность электронного тока на поверхность металла изнутри составляет огромную величину ~ 1012 А/см2. Но только небольшая доля этих электронов вылетает из металла, поскольку лишь немногие из них имеют избыток энергии над уровнем Ферми, равный работе выхода - 2 - 5 эВ. Плотность тока эмиссии в данном случае вычисляется по формуле Ричардсона - Дэшмена где А - постоянная, зависящая от типа металла; - работа выхода.

Яркость источника определяется формулой Ленгмюра где U - ускоряющее напряжение [4].

Приведенное ранее выражение (23) для яркости наглядно отражает смысл этой величины, а выражение (26) более удобно для практического вычисления ее значений.

В случае автоэмиссионного источника, катод находится в электрическом поле с высокой напряженностью (порядка 107 В/см). При этом ширина и высота потенциального барьера уменьшаются и электроны вследствие туннельного эффекта эмиттируют в вакуум. Влияние температуры Рис. 8. Работа выхода катода в этом случае незначительно. электронов На рис. 9 схематически изображена конструкция трехэлектродной электронной пушки с термоэмиссионным катодом.

Обычно катод представляет собой нить диаметром 0,1 мм из вольфрама (W) или гексаборида лантана (LaB6). Он окружен фокусирующим электродом (цилиндром Венельта) с отверстием диаметром 1 - 2 мм. Вершина катода расположена в плоскости основания цилиндра или несколько позади нее. Анод имеет положительный по отношению к катоду потенциал и отверстие для выхода электронного луча. На цилиндр Венельта подается отрицательное смещение при помощи резистора в цепи катода. Потенциал анода равен потенциалу заземленного корпуса электронно-лучевой установки [5].

На рис. 10 приведена конструкция трехэлектродной электронной пушки с автоэмиссионным катодом. Катод представляет собой монокристалл вольфрама (W) с радиусом закругления острия 0,1 мкм. На анод подается высокое напряжение (порядка 20 кВ), в результате чего напряженность электрического поля вблизи острия катода достигает значения около 107 В/см, и электроны эмиттируют с поверхности острия. При этом анод обладает свойством вогнутой электростатической линзы, рассеивающей электронный луч. Поэтому для его фокусировки используют второй анод. Такой точечный источник электронов характеризуется высокой яркостью - 108 А/(см2ср). Плотность тока автоэлектронной эмиссии при температуре абсолютного нуля приближенно определяется выражением температуры в пределах до 10000С крайне незначительно. Однако, как можно видеть из соотношения (27), автоэмиссия сильно зависит от Рис. 10. Конструкция элек- 1) вид ионов;

тронной пушки с автоэмис- 2) ток пучка;

Рис. 9. Конструкция элекимплантации и обработки материалов ионным тронной пушки с термопучком. Такой тип ионизации характеризуется эмиссионным катодом передачей молекулам газа энергии от ускоренных электронов. Используемые для ионизации электроны создаются термоэлектронной, автоэлектронной эмиссией или образуются в газовом разряде.

Электроны ускоряются при помощи электростатического или высокочастотного поля и удерживаются в ограниченном объеме магнитным полем для увеличения пути ионизации.

Число ионов, попадающих на единицу площади в единицу времени n+, образованных электронным током плотностью j, проходящим расстояние х через газ при давлении р, определяется выражением где Se - дифференциальный коэффициент ионизации, величина которого зависит от энергии электрона и типа газа.

Яркость, Асм-2ср- Вакуум, Па На рис. 11 схематически представлен один из источников ионных пучков данного типа. На анод подается положительный потенциал по отношению к катоду и антикатоду. При этом потенциал изменяется как в радиальном, так и в продольном направлении. Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спиральным траекториям, удерживая их от попадания на анод, представляющий собой полый цилиндр, и тем самым увеличивая эффективность ионизации. В результате ионизирующих столкновений, ионами. Такой механизм может использоваться для ионизации любого газа.

Источник ионов с дуговым разрядом называется плазмотроном. Он отличается более высоким давлением газа (0,4 - 4 Па) и большим током электронов. Дуговой разряд при напряжении в несколько сотен вольт поддерживается между подогревным катодом и анодом. Эмиттированные катодом электроны ускоряются электрическим полем и, проходя через газ, вызывают его ионизацию.

Основным достоинством плазмотронов является высокая эффективность ионизации, а недостатком - слишком высокая энергия ионов для приложений, где требуются низкоэнергетические ионы.

В полевых источниках механизм ионизации следующий. При увеличении напряженности электрического поля вблизи нейтральных валентный электрон за счет туннельного эффекта “отрывается” от частицы, а сильное электрическое поле разделяет ион и электрон.

разрешении менее 100 нм для простых оптических систем. Разрешение ограничивается сравнительно большим разбросом энергий частиц Рис. 12. Конструкции жидэВ.

кометаллических источниЖидкометаллический источник обычно ков ионов (0,02 - 0,002 см в диаметре) или из капилляра с вольфрамовой иголкой внутри и вытягивающего электрода (рис. 12). По капилляру подается жидкий металл.

Между кончиком капилляра и вытягивающим электродом прикладывается напряжение. При этом совместное действие электростатических сил и поверхностных сил натяжения вызывает образование сильно заостренного конуса малого радиуса из жидкого металла (конус Тейлора).

Если прикладывается критическое напряжение, из конуса вытягиваются ионы или электроны в зависимости от полярности напряжения. Критическое напряжение для образования конуса определяется выражением где R0 - расстояние между электродами (см); - поверхностное натяжение (Н/м). Обычно критическое напряжение составляет порядка 11 - 15 кВ.

Литография является одним из наиболее важных этапов в технологических процессах производства СБИС. Ее основная цель - формирование заданного рисунка на поверхности полупроводниковой пластины.

Возможности и ограничения, связанные с литографией, как было показано выше, являются основными факторами, определяющими степень интеграции современных интегральных схем.

Поэтому очень важно рассмотреть особенности существующих методов литографии и провести их сравнительный анализ. К ним относят:

1) фотолитографию;

2) рентгенолитографию;

3) электронно-лучевую литографию;

4) ионную литографию.

Фотолитография предполагает формирование микрорисунка посредством засветки тонкого слоя фоторезиста, нанесенного на поверхность пластины, при помощи направленных пучков фотонов в ультрафиолетовой области спектра. Основным недостатком данного метода является сравнительно большая длина волны фотонов (0,2 - 0,3 мкм), не позволяющая формировать элементы микрорисунка с размерами менее 1 мкм вследствие дифракции. Данное обстоятельство ограничивает применение фотолитографии в процессе производства БИС и СБИС [3-5].

Наиболее очевидный путь повышения разрешающей способности - использование более коротковолновых излучений, например низкоэнергетического рентгеновского излучения (1 - 10 кэВ) с длинами волн порядка 0,4 - нм. Данный метод получил название рентгенолитографии и представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с фотолитографией, поскольку позволяет значительно уменьшить влияние дифракции на качество формируемого на поверхности полупроводниковой пластины рисунка. Однако он не смог полностью заменить фотолитографию вследствие целого ряда трудностей.

Прежде всего, оказалось нелегко создать источник рентгеновских лучей высокой интенсивности. Рентгеновское излучение возникает при торможении в материале мишени направленного потока электронов.

Причем процесс этот малоэффективный, так как большая часть энергии электронов идет на нагрев мишени.

Для электронного луча диаметром мм, падающего на алюминиевую мишень с водяным охлаждением, типовая величина максимальной мощности равна 400 - 500 Вт. МощРис. 13. Схема рентгенолитографической установки ность получаемого при этом рентгеновского излучения составляет порядка мВт, причем излучение распределено по полусфере (рис. 13) [3-5].

Для создания источников рентгеновского излучения высокой интенсивности используются вращающиеся аноды с водяным охлаждением. Материал мишени выбирается исходя из требуемых величин теплоемкости, теплопроводности, а также требуемых характеристик тормозного излучения. Например, алюминиевый анод диаметром 20 см, вращающийся с частотой 8000 об/мин, может рассеять мощность порядка 20 кВт при диаметре электронного луча мм [3-5].

Следующая трудность состоит в том, что для рентгеновского излучения не существует соответствующих зеркал и линз вследствие малой длины волны и, соответственно, высокой проникающей способности. Поэтому источник рентгеновских лучей должен быть удален от шаблона и резиста достаточно сильно, чтобы лучи падали с возможно меньшей расходимостью (см. рис. 13). Конечные размеры источника и расходимость лучей вызывают полутени и геометрические искажения.

Данная трудность усугубляется тем, что зазор между шаблоном и резистом должен быть достаточно большим, чтобы исключить касание с учетом кривизны поверхности пластины, так как это может быть причиной возникновения дефектов (рис. 14, 15).

Рис. 14. Конструкция рентгеношаблона неорганические мембраны. Органические пленки изготавливаются на основе мулара, каптона, пиолена и полиимида. Неорганические содержат кремний, окисел кремния, карбид кремния и окисел алюминия. Поглощающая пленка обычно состоит из двух слоев: тонкого слоя хрома, используемого для улучшения адгезии, и слоя золота.

И еще одна проблема рентгенолитографии связана с рентгенорезистами.

Вследствие малой поглощательной способности существующих рентгенорезистов, а также малой интенсивности источников излучения, требуется продолжительное время экспозиции - несколько часов. Большинство резистов поглощает менее 10% падающего рентгеновского излучения. Наиболее распространенными рентгенорезистами являются ПММА - полиметилметакрилат (позитивный) и СОР (негативный).

Таким образом, несмотря на то, что рентгенолитографические установки (рис. 16) позволили получать минимальные размеры элементов микрорисунка порядка 0,5 мкм, все перечисленные особенности рентгенолитографии не позволили ей выступить в качестве полной альтернативы фотолитографии.

Для дальнейшего сокращения минимальных размеров областей интегральных компонентов требовались новые, более перспективные методы.

Таким методом, сочетающим в себе основные преимущества фото- и рентгенолитографии, явилась электроннолучевая литография. В данном случае резист экспонируется направленным сфокусированным электронным лучом.

Длина волны де Бройля для электрона составляет тысячные доли нанометра. Следовательно, явление дифракции в данном случае можно не учитывать. Источники электронных пучков характеризу- Рис. 15. Проецирование рисунка ются достаточно высокой яр- посредством рентгеновского излучения костью порядка 108 А/(см2ср), что позволяет сократить время экспонирования элементов микрорисунка до секунд, а также малым разбросом энергий электронов в пучке (около 0,4 эВ), благодаря чему удается уменьшить характерные искажения [3-5].

Поскольку электроны обладают электрическим зарядом, они взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, что позволяет создавать электростатические и магнитные линзы, обеспечивающие фокусировку и центровку электронного луча, а также возможность сканирования по поверхности образца.

Дополнительным важным преимуществом электронно-лучевой литографии является возможность экспозиции непосредственно слоя оксида кремния без использования резистов. Экспонированные области оксида травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированные.

К основным недостаткам метода электронно-лучевой литографии следует отнести наличие определенных искажений (аберраций), которые в принципе невозможно скорректировать никакими электро- и магнитооптическими системами, а также рассеяние электронов в слое резиста, что ограничивает минимальные размеры элементов микрорисунка значением порядка 300 нм с четкостью краев около 10 нм.

Рис. 16. Пример рентгенолитографической установки с вращающимся анодом: а - вид сверху; б - вид спереди Благодаря рассмотренным достоинствам, а также и по экономическим соображениям, электронно-лучевая литография в настоящее время является ведущим методом применительно к производству СБИС.

Еще более перспективным методом является ионная литография. В принципе, данный метод аналогичен электронно-лучевой литографии, но вместо электронных лучей используются направленные потоки ионов различных элементов [3-5].

Методы формирования, фокусировки и отклонения луча ионов аналогичны соответствующим методам для электронных пучков. Основным преимуществом является большая масса ионов, что позволяет избежать рассеяния ионов в слое резиста и сократить размытость краев элементов рисунка примерно на порядок по сравнению с электронно-лучевой литографией при минимальных размерах порядка 10 нм.

Дополнительным преимуществом ионной литографии является возможность управляемого травления после прорисовки рисунка.

Метод электронно-лучевой литографии в настоящее время наиболее широко используется в процессе производства СБИС [3-5]. Рассмотрим принципы построения, основные параметры и конструктивные особенности электронно-лучевых установок.

В качестве источников электронов, как уже упоминалось, используются пушки с термо- или автоэмиссией.

Форма луча может быть различной (рис. 17).

Рис. 17. Схемы электронно-лучевых установок с различными формами луча:

1 - электронная пушка; 2, 4, 7 - электростатические и магнитные линзы;

3, 5 - диафрагмы, определяющие форму луча; 6 - катушки управления формой луча; 8 - юстировочные катушки; 9 - отклоняющая система; 10 - обрабатываемая пластина Если луч фокусируется в точку, распределение плотности тока в луче в радиальном направлении является гауссовским. При этом линия требуемой ширины образуется посредством многократного прохода луча по соседним траекториям (рис. 17,а).

В ряде электронно-лучевых установок используется специальная диафрагма, определяющая форму луча. При этом изображение диафрагмы в уменьшенном масштабе проецируется на плоскость, в которой расположен образец (рис. 17,б).

Для получения луча с изменяемой формой используют две диафрагмы определенного вида. Изображение первой диафрагмы проецируется на вторую. Между ними расположены управляющие электроды, при помощи которых осуществляется смещение изображения первой диафрагмы на второй, что приводит к изменению формы луча (рис. 17,в).

Важным элементом электронно-лучевой установки является система сканирования луча. В настоящее время используют две системы сканирования:

растровую и векторную.

В случае растрового сканирования луч проходит всю область сканирования, независимо от наличия или отсутствия рисунка, но освещает только области, предназначенные для засветки. При сканировании остальных областей происходит гашение луча (рис. 18,а).

При векторном сканировании луч перемещается и освещает пластину только в пределах участков, соответствующих формируемому рисунку. Гашение луча осуществляется лишь при переходе от одного элемента рисунка к другому (рис. 18,б).

При векторном сканировании луч перемещается и освещает пластину только в пределах участков, соответствующих формируемому рисунку. Гашение луча осуществляется лишь при переходе от одного элемента рисунка к другому (рис. 18,б).

Поле сканирования имеет форму квадрата со стороной не более 20 - мм, в противном случае при отклонении луча возникают заметные искажения.

Следовательно, для формирования рисунков на поверхности пластин или шаблонов, диаметр или сторона которых превышают 100 - 125 мм, необходимо после завершения формирования рисунка в пределах одного поля перемещать образец.

Рис. 18. Системы сканирования электронного луча:

а - растровая; б - векторная Перемещение осуществляется либо в режиме мультиплицирования (пошагового перемещения), когда после завершения формирования рисунка в пределах одного поля образец перемещается в положение, соответствующее следующему полю (рис. 19,а), либо в режиме непрерывного перемещения, когда после завершения непрерывного перемещения образца в одном направлении луч достигает границ области сканирования и образец перемещается на заданное расстояние в перпендикулярном направлении, после чего возобновляется непрерывное перемещение в направлении, противоположном первоначальному (рис. 19,б).

Рис. 19. Способы перемещения образца:

а - мультиплицирование; б - непрерывное перемещение Важную роль играет выбор оптимального диаметра луча. Если луч слишком тонкий, ток луча уменьшается, в результате чего возрастает время экспонирования. Поэтому приходится идти на компромисс в выборе тока и диаметра электронного луча. Если луч имеет изменяемую форму, ток луча пропорционале площади его поперечного сечения в месте его падения на поверхность образца.

2.4. Аберрации (искажения) электронно-оптической системы Аберрации приводят к тому, что сечение пучка электронов не может быть меньше некоторого предельного значения, называемого кругом наименьшего рассеяния. Применительно к электронно-лучевым установкам наиболее значительными являются следующие виды аберраций [3-5]:

1) сферическая;

2) хроматическая;

3) астигматизм.

В случае сферической аберрации диаметр круга наименьшего рассеяния определяется пересечением нескольких проходящих через линзу траекторий электронов, которые не фокусируются в одной и той же точке на оптической оси. Этот дефект вызван тем, что напряженности фокусирующих полей выше вблизи создающих их электродов, чем около оси.

Вносимую линзой сферическую аберрацию пучка нельзя скомпенсировать никакой последующей оптической системой, поэтому при проектировании каждого элемента электронно-оптической системы необходимо добиваться наименьшей величины аберрации данного вида.

Хроматическая аберрация связана с зависимостью фокусирующих свойств электронной линзы от энергии пролетающих через нее электронов.

Частица с большей энергией будет сфокусирована на большем расстоянии от линзы, чем частица с меньшей энергией.

Астигматизм проявляется в отклонении или смещении элементов электронно-оптической системы относительно оптической оси. Для устранения астигматизма используют многополюсный электростатический или магнитный элемент, называемый стигматором (рис. 20).

Еще одним видом искажений, характерным для электронно-лучевой литографии, являются искажения формы рисунка, обусловленные эффектом обеспечения малого времени экспонирования и высокой разрешающей способности необходимо обеспечить диаметр электронного луча в месте падения Кроме того, для уменьшения краевых искажений, возникающих при сканироРис. 20. Магнитный стигматор 4) электростатические и магнитные линзы, служащие для фокусировки луча и формирования четкого изображения на поверхности образца;

5) гасящие пластины, осуществляющие “запирание” луча в определенные промежутки времени при сканировании;

6) диафрагма 2, предназначенная для экранирования части луча, в пределах которой траектории электронов не являются прямыми линиями, что обусловлено влиянием гасящих пластин;

7) стигматор, компенсирующий асимметрию электронно-оптической системы (астигма-тизм);

8) диафрагма 3, предназначенная для ограничения апертуры луча, прошедшего через магнитную линзу 3, с целью устранения аберраций, возникающих при больших угловых апертурах;

9) отклоняющая система, служащая для отклонения электронного луча при сканировании.

Диафрагмы изготавливаются из платины и других благородных металлов и представляют собой пластины толщиной 100 мкм с отверстиями размером 100 мкм.

Стигматор представляет собой четырех- или восьмиполюсный прибор, образованный соответствующим числом магнитных катушек или металлических пластин (см. рис. 20).

Отклоняющая система может быть электростатической или магнитной.

Для электростатических систем характерна значительно большая расфокусиРис. 21. Схема электронно-оптической ровка луча, чем для магнитных, поскольку в электростатических системах отклонение луча обратно пропорционально ускоряющему напряжению, тогда как в магнитных - обратно пропорционально корню квадратному из ускоряющего напряжения. Кроме того, электростатические системы характеризуются большей нестабильностью параметров по сравнению с магнитными, обусловленной оседанием различных частиц и пылинок на пластины в электрическом поле [3-5].

Аналогично отклоняющим системам, линзы могут быть электростатическими и магнитными. Причем электростатическим линзам также свойственна нестабильность параметров вследствие оседания частиц и пылинок в электрическом поле.

Электростатическая линза представляет собой металлическую пластину с отверстием с различными напряженностями электрического поля по обе ее стороны. Оптическая сила линзы пропорциональна разности этих напряженностей (рис. 22).

Рассмотрим подробнее линзовый эффект. Представим сплошную металлическую пластину с различными значениями напряженности поля по обе Если электрон движется точно по оси симметрии данной системы (оптической оси), то он пересекает эквипотенциальные поверхности под прямым Рис. 22. Электростатическая линза и, вследствие этого, на него действует составляющая силы, направленная перпендикулярно оптической оси. При этом траектория электрона искривляется, действия магнитной линзы состоит в следующем. Так как в точках, расположенных на оси симметрии, направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением оси, на электроны, движущиеся точно по оси со стороны электрона. Вследствие этого на электрон действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно вектору скорости (см. рис. 23). В результате электрон начинает двигаться по спиральной траектории, постепенно сходящейся к оптической оси, то есть проявляется линзовый эффект.

Следует отметить, что магнитные линзы являются собирающими независимо от направления тока в катушке. То есть рассеивающую магнитную линзу изготовить невозможно, что является основным недостатком таких систем.

2.6. Методы переноса рисунка на поверхность полупроводниковых В настоящее время в рамках фотолитографии, рентгенолитографии, электронно-лучевой и ионной литографии разработано множество методов переноса рисунка на поверхность кристаллов СБИС. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с остальными, что определяет область его применимости. Для выбора наиболее эффективного по совокупности технико-экономических параметров метода формирования рисунка необходимо рассмотреть основные особенности методов и произвести их классификацию [3].

Методы переноса рисунков на поверхность полупроводниковых пластин можно разделить на две основные группы: перенос рисунков с использованием шаблонов или масок и бесшаблонные методы, в которых формирование рисунка осуществляется сканированием сфокусированным лучом фотонов, электронов или ионов (рис. 24).

Контактная печать Бесконтактная печать Растровое Векторное Рис. 24. Схема классификации методов переноса рисунка Масочные методы, в свою очередь, можно разделить на контактные и бесконтактные (см. рис. 24). Контактная печать является исторически первым методом формирования рисунка на полупроводниковых пластинах. При использовании этого метода шаблон, содержащий требуемый рисунок, накладывается на покрытую фоторезистом пластину и экспонируется фотонами в ультрафиолетовом спектре, в результате чего на резисте образуются засвеченные и незасвеченные области. В процессе последующих технологических операций осуществляется удаление засвеченных или незасвеченных участков фоторезиста в зависимости от типа резиста (позитивный или негативный).

Разрешающая способность этого метода составляет 1 - 2 мкм и ограничивается дифракционными эффектами. При использовании когерентного излучения (лазеров) улучшается контрастность и четкость изображения вследствие когерентности эффектов дифракции.

Основной недостаток контактной печати состоит в быстром изнашивании фотошаблона при его многократном использовании. Плотное соприкосновение фотошаблона с подложкой приводит к возникновению дефектов на поверхностях как шаблона, так и резиста. Допустимое число экспозиций зависит от сложности шаблона, определяемой степенью интеграции, а также прочности его поверхности.

Эмульсионные фотошаблоны для экспонирования БИС обычно используются не более 10 раз. Шаблоны, покрытые хромом, оксидом железа или другими металлами, допускают периодическую очистку, отличаются гораздо большей прочностью покрытия и, вследствие этого, могут использоваться более 100 раз.

Разрешающая способность метода контактной печати может быть повышена, если для экспонирования резиста использовать более коротковолновое излучение, так как при этом уменьшается влияние дифракции. Глубокий ультрафиолет с длиной волны 200 - 260 нм позволяет получать минимальные размеры элементов рисунка до 0,5 мкм. Однако при этом существенно усложняются конструкции проекционных установок, так как для столь коротковолнового излучения вместо линз приходится использовать систему фокусирующих зеркал.

Необходимость в бесконтактной печати возникла в связи с требованием уменьшения плотности дефектов при формировании рисунка, соответствующего БИС более высокой степени интеграции. Пространственное разделение фотошаблона и пластины существенно уменьшает количество дефектов, возникающих из-за контакта.

При этом бесконтактные методы печати можно, в свою очередь, разделить на печать с зазором и проекционную печать (см. рис. 24).

Печать с зазором между фотошаблоном и поверхностью резиста, значительно снижая плотность дефектов, привела к снижению разрешающей способности вследствие более сильного проявления эффекта дифракции и появления полутеней. При использовании ультрафиолетового излучения проектые нормы в рамках данного метода увеличились до 7 мкм. Поэтому печать с зазором нашла широкое применение лишь применительно к более коротковолновому излучению в рентгеновском спектре, длина волны которого составляла 0,4 - 5 нм [3-5].

Метод проекционной печати заключается в проецировании изображения фотошаблона на пластину, покрытую резистом, при помощи системы линз с высокой разрешающей способностью. В этом случае шаблон может использоваться неограниченное число раз. Поэтому экономически оправдано применение очень высококачественных шаблонов. Глубина резкости оптической системы должна превышать ±10 мкм, то есть диапазон, в котором обычно лежат отклонения поверхности полупроводниковых пластин от идеальной плоскости. Это ограничивает апертуру линз и, следовательно, разрешающую способность метода. Характеристики оптических систем, используемых в проекционной печати, ограничиваются главным образом явлением дифракции. Обычные проекционные системы позволяют получать разрешение до 5 мкм [3].

В качестве источников света в проекционных системах получили широкое распространение дуговые ртутные лампы со спектром 330 - 400 нм, дуговые ксеноново-ртутные лампы и спектральные дейтериевые лампы для проведения литографии в глубокой ультрафиолетовой области.

При использовании полупроводниковых пластин сравнительно небольшого диаметра (менее 80 мм) при проекционной печати применялись стационарные проекционные системы, то есть системы, позволяющие одновременно экспонировать всю поверхность пластины (см. рис. 24). При увеличении диаметра пластин использование стационарных систем стало нецелесообразным из-за недопустимо больших искажений.

В пошаговых системах (см. рис. 19, 24) изображение фотошаблона проецируется на определенную часть пластины площадью около 1 см2, после чего экспонирование повторяется после перемещения изображения на соседнюю область пластины.

Использование источников когерентного излучения - лазеров привело уже в рамках фотолитографии к идее полного отказа от шаблонов. В бесшаблонных проекционных установках слой фоторезиста засвечивался посредством перемещения лазерного луча определенного профиля по заданной сложной траектории при помощи специальной программы ЭВМ. Однако, ввиду сложности управления лазерным лучом, широкого распространения не получил.

Метод бесшаблонной печати стал играть важную роль в ряду рассмотренных выше методов формировния рисунков на поверхности пластин с появлением электронно-лучевой литографии. Поскольку электроны, в отличие от фотонов, обладали электрическим зарядом, появилась возможность сравнительно легко осуществлять не только фокусировку и центровку электронного луча при помощи соответствующих электростатических и магнитных линз, но также осуществлять сканирование посредством электростатических или магнитных отклоняющих систем и гасящих электродов.

Существует два основных метода сканирования: растровое и векторное (см. рис. 18, 24).

В обоих случаях управление лучом осуществляется по программе ЭВМ.

При этом растровое сканирование отличается более простым программным обеспечением, но требует значительно больше времени для экспонирования резиста, поскольку основную долю времени составляет холостой ход луча.

В этом отношении векторное сканирование более эффективно, хотя и требует более сложного программного обеспечения.

При использовании в рамках векторного сканирования электронного луча, сфокусированного в точку или, точнее, в круглое пятно минималного сечения, позволяет формировать рисунки любой конфигурации посредством соответствующих управляющих программ (рис. 25). Экспериментально установлено, что для получения элемента прямоугольной формы с минимальной длиной короткой стороны нужно не менее четырех проходов линий сканирования луча. Используются следующие способы сканирования луча:

1) по параллельным линиям без обратного хода, 2) по параллельным линиям с обратным ходом, 3) по спирали от периферии к центру.

Минимальный диаметр луча на поверхности объекта может достигать десятых долей нанометра. Но на практике, для качественного воспроизведения элементов рисунка, применяются лучи диаметром 100 - 500 нм.

Для специализированных СБИС с нерегулярной структурой такой подход эффективен. Но для формирования рисунков, соответствующих СБИС с регулярной структурой (например, ОЗУ, ПЗУ, ПЗС), более производительным является профильное сканирование, когда отдельные элементы рисунка формируются в результате однократной экспозиции профилированным посредством специальных диафрагм лучом, что существенно сокращает время формирования рисунка (см. рис. 17, 24). Однако при ограничении диафрагмами плотность тока в луче снижается, что приводит к увеличению времени экспонирования элемента рисунка и не позволяет получить общий выигрыш во времени, пропорциональный сокращению числа экспозиций.

Для дальнейшего сокращения времени экспонирования и упрощения Рис. 25. Способы векторного сканирования программного обеспечения управляющей ЭВМ для формирования рисунков регулярных структур наряду с традиционными однолучевыми применяются многолучевые профильные проекционные системы (см. рис. 24), в которых используется набор линз-диафрагм, расположенных в одной плоскости, для получения многократного изображения рисунка маски. Линзы-диафрагмы, представляющие собой отверстия в плоском электроде, являются простейшими элементами для мультипликации изображения.

Монокристаллические слитки кремния получают обычно методом Чохральского или методом зонной плавки (рис. 26) [3].

В рамках метода Чохральского стержень с затравкой в виде монокристалла кремния после соприкосновения с расплавом кремния медленно поднимают с одновременным вращением. При этом вслед за затравкой вытягивается нарастающий и застывающий слиток.

Рис. 26. Методы выращивания монокристаллических слитков кремния Установка для выращивания монокристаллических слитков кремния методом Чохральского включает в себя корпус рабочей камеры, в которую подается инертный газ (как правило, аргон под давлением 103 - 105 Па), катушку высокочастотного нагрева, графитовый тигель, в котором находится расплав полупроводника (или тигель с графитовым основанием и внутренней поверхностью из кварцевого стекла для снижения концентрации углерода в растущем слитке), стержень с затравкой для вытягивания монокристаллического слитка из расплава и механическая система вращения и вытягивания стержня (см. рис. 26).

Метод зонной плавки применяется значительно реже метода Чохральского. В рамках данного метода высокочастотная катушка медленно перемещается вдоль слитка поликристаллического кремния цилиндрической формы с монокристаллической затравкой (см. рис. 26). Локальный нагрев слитка приводит к расплавлению и последующей рекристаллизации кремния при движении катушки. Полный цикл изготовления монокристаллического слитка при использовании метода зонной плавки составляет от 5 до 24 суток.

Кристаллографическая ориентация слитка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затравки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоскости (111) или (100).

Типовой диаметр слитков составляет от 80 - 125 мм и более. Длина слитков может достигать 1 - 1,5 м.

После получения монокристаллического слитка проводятся подготовительные технологические операции: резка, шлифовка, полировка, травление, очистка, промывка, сушка и др. (табл. 3).

Слитки кремния разрезают на пластины толщиной около 0,5 мм, которые после соответствующей обработки служат основой для изготовления кристаллов интегральных схем. Во время резки слиток прочно закрепляют, причем очень важно обеспечить перпендикулярное расположение слитка относительно режущих полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели требуемую кристаллографическую ориентацию (см. табл. 3).

Поверхность пластин после резки весьма неровная: размеры царапин и выступов намного превышают размеры будущих элементов СБИС. Поэтому перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифуют, а затем полируют (см. табл. 3).

Цель шлифовки, помимо удаления механических дефектов, состоит также в обеспечении необходимой толщины пластины (250 - 350 мкм), недостижимой при резке, и параллельности плоскостей. Шлифовку осуществляют на вращающихся шлифовальных кругах. Шлифующим агентом являются суспензии из микропорошков, размер зерен которых выбирают все меньшим при каждом цикле шлифовки, вплоть до 1 - 2 мкм.

По окончании шлифовки на поверхности все же остается механически нарушенный слой толщиной несколько микрон, под которым расположен еще более тонкий, так называемый физически нарушенный слой. Последний характеризуется наличием определенных искажений кристаллической решетки и механических напряжений, возникающих в процессе шлифовки.

Подготовительные технологические операции Полировка состоит в удалении обоих нарушенных слоев и снижении неровностей до уровня сотых долей микрона. Помимо механической полировки (с помощью еще более мелкозернистых суспензий), используется химическая полировка (травление), то есть по существу растворение поверхностного слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравнивается.

Достигаемая в процессе шлифовки и полировки параллельность плоскостей пластины составляет доли микрона на сантиметр длины. Следует отметить, что в процессе резки, шлифовки и полировки пластин потери материала исходного слитка составляют 65 - 85 %.

Важным процессом в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими веществами, особенно жирами. Очистку и обезжиривание проводят в органических растворителях (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре.

Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластин в деионизованной воде. Деионизация осуществляется в специальных установках путем пропускания предварительно дистиллированной воды через гранулированные смолы, в которых благодаря химическим реакциям происходит связывание растворенных ионов. Степень деионизации оценивается по удельному электрическому сопротивлению воды, которое обычно лежит в пределах 10 - 20 МОмсм и выше. Для сравнения отметим, что удельное сопротивление бидистиллированной воды не превышает 1 - 2 МОмсм.

Одним из важнейших параметров, характеризующих качество полученного монокристаллического кремния в процессе выращивания методами Чохральского или зонной плавки, является распределение концентрации примесей в материале слитка, поскольку, как известно, именно примеси в значительной степени определяют основные свойства полупроводниковых монокристаллов [3,5].

Как правило, в кремниевых слитках в очень малых концентрациях (менее 10-10 см-3) присутствует достаточно большое количество видов примесей: бор, фосфор, мышьяк, железо, титан и др. Но в связи с перечисленными особенностями технологических процессов выращивания слитков, основную роль играют примеси кислорода и углерода. Это объясняется высокой температурой процесса (температура плавления кремния - 1420 оС), а также использованием в технологических печах графитовых конструкций. Концентрация кислорода в большинстве случаев составляет (2 - 20)1017 см-3, а углерода - около 41015 смПрисутствие кислорода и углерода в кремнии приводит к образованию микродефектов, кроме того, кислород оказывает влияние на резистивные свойства полупроводника (приводит к образованию кислородных доноров), а также оказывает влияние на степень изгиба пластины при термической обработке. Поэтому важным этапом контроля качества получаемых слитков монокристаллического кремния является определение концентрации примесей в материале.

Для количественного определения содержания примесей в кремнии используется зависимость степени поглощения инфракрасного излучения от определяется глубиной соответствующих энергетических уровней. При измерениях, проводившихся при температуре жидкого гелия, было установлено, бор, фосфор), поглощение наблюдается на длинах волн 30 мкм, а для примесей с относительно глубокими уровнями (например, алюминий, галлий) вблизи 20 мкм. Для кислорода и углерода при комнатной температуре наблюдаются области поглощения при 9 мкм и 16,5 мкм, соответственно. Соответствующие частоты представляют собой частоты колебаний атомов примесей, внедрившихся в кристаллическую решетку. Поэтому посредством измерения спектра поглощения инфракрасного (ИК) излучения Достоинством данного метода является простота его реализации, а основным недостатком - необходимость проведения соответствующих измерений отдельно для каждой длины волны, что требует значительных затрат времени. Кроме того, использование дифракционной решетки снижает яркость С целью устранения этих недостатков используется метод фурьеспектроскопии. В данном случае применяется интерферометр Майкельсона, в котором луч разделяется на две составляющие: одна направляется на неподвижный отражатель в виде исследуемого образца, а вторая - на вибрирующий отражатель, приводимый в движение электромагнитом (рис. 28). После объединения этих составляющих результирующий луч поступает на вход детектора. После операции интегрирования, выполняемой для снижения уровня шуРис. 27. Спектр поглощения кремниевого ма, результирующая интерферограмма подвергается преобразованию Фурье и, образца таким образом, получается результирующий спектр, по которому можно судить о наличии примесей в исследуемом образце.

Достоинства метода фурье-спектроскопии заключаются в отсутствии дифракционной решетки, в результате чего возрастает яркость изображения, а также в том, что измерения на всех длинах волн проводятся одновременно, что приводит к повышению быстродействия и разрешающей способности метода.

Метод фурье-спектроскопии особенно широко применяется для количественного анализа таких примесей, как углерод и кислород. При этом величины пиков спектра пропорциональны концентрации примесей. На практике на эти пики накладываются спектральные составляющие кристаллической решетки кремния, вследствие чего необходимо соответствующим образом выделять полезный сигнал. Поэтому в случаях, когда концентрации примесей меньше предельно обнаружимых, применяется метод, основанный на использовании эталонных образцов той же толщины, что и у исследуемых. Инфор- Рис. 28. Использование интерферометра мация, полученная при исследовании эталонных образцов, вводится в запоми- Майкельсона для Фурье-спектроскопии нающее устройство. После проведения исследования основного образца производится выделение полезной информации посредством сравнения с результатами измерений спектра эталона.

Основным недостатком рассмотренных методов является невозможность измерения малых значений концентраций (менее 1014 см-3). С целью устранения этого недостатка применяется метод фотолюминесценции.

В рамках данного метода исследуемый кристалл подвергается воздействию излучения, энергия квантов которого больше ширины запрещенной зоны полупроводника. При этом внутри кристалла появляются избыточные электроны и дырки. При их рекомбинации происходит излучение света - фотолюминесценция. Посредством анализа спектра фотолюминесценции можно определять концентрацию примесей. Длины волн излучения лежат в пределах ИК-диапазона.

Экспериментально установлено, что наибольшей чувствительностью данный метод обладает применительно к примесям с мелкими энергетическими уровнями. Он пригоден для анализа примесей, содержащихся в крайне малых концентрациях - 1010 - 1011 см-3.

В качестве источника излучения обычно применяют аргоновый лазер (диаметр луча 2 мм, мощность излучения 300 мВт). Погрешность при измерениях составляет порядка 20 %.

Для измерения концентраций примесей в кремнии часто применяются также ионные микроанализаторы (ИМА) или масс-спектрометры вторичных ионов (МСВИ). В этих установках пучки ускоренных первичных ионов в глубоком вакууме падают на поверхность образца, вызывая его распыление, и посредством анализа масс вторичных ионов с высокой точностью определяются концентрации примесей в образце.

Достоинствами метода являются высокая точность, возможность выполнения трехмерного анализа профиля концентраций, а также возможность анализа полного спектра элементов, начиная с водорода.

Основные недостатки - разрушающий контроль и необходимость обеспечивать предельно глубокий вакуум, что требует использования конструктивных элементов установки, выполненных из сверхчистых материалов, охлажденных жидким азотом или гелием, а также больших затрат энергии.

2.8. Деформации полупроводниковых пластин Если при переносе микрорисунка на поверхность пластины изображение смещается по отношению к фокальной плоскости на величину, превышающую допустимое значение, происходит размытие изображения. Применительно к различным методам литографии, допустимое смещение имеет тот же порядок, что и минимальный размер элементов рисунка. Например, при минимальном литографическом размере 1 мкм допустимое смещение поверхности пластины от фокальной плоскости проекционной системы составляет 1 - 2 мкм [3].

Если для переноса рисунка используется стационарная проекционная установка, данное требование должно выполняться для всей пластины, что при размерах пластин 125 мм и более практически невыполнимо. Для пошаговых систем экспонирования данное требование должно выполняться лишь в пределах каждой экспонируемой области площадью не более 1 см2, что вполне приемлемо (см. рис. 19).

При резке и термической обработке полупроводниковые пластины неизбежно подвергаются определенным деформациям. Причем, чем больше деформации, тем больше смещения поверхности пластины относительно фокальной плоскости проекционной системы, что требует повышения глубины резкости и ограничивает разрешающую способность литографии. Поэтому проблема деформаций является одной из наиболее важных проблем, возникающих в процессе производства интегральных схем, и особенно СБИС.

Различают множество видов деформаций полупроводниковых пластин (рис. 29). Наиболее значимыми из них являются: чаша, седло, поверхность цилиндра, коническая поверхность, волнообразная поверхность.

Рис. 29. Виды деформаций полупроводниковых пластин Причем деформации лицевой и обратной сторон пластины могут быть различными (см. рис. 29,б). Кроме того, внешне идеально ровная пластина может иметь определенные деформации кристаллической структуры [3].

Наличие деформаций в значительной степени определяет выход годных устройств, изготовленных на их основе. Поэтому очень важно осуществлять жесткий контроль качества полупроводниковых пластин с точки зрения степени деформации как непосредственно после завершения всех подготовительных технологических операций (резка, шлифовка, полировка), так и после каждой основной операции технологического цикла, связанной с термической обработкой.

Способы и устройства измерения деформаций пластин разнообразны.

Наиболее эффективными и чувствительными являются устройства дистанционного измерения деформаций. Принцип функционирования такого устройства показан на рис. 30.

разделенные лучи, образующиеся на выходе решетки, направляются на поверхность пластины. При отражении лучей от зеркальной поверхности исследуемой пластины, а затем от полупрозрачного отражателя, формируется увеличенное изображение двухмерной решетки на экране. В случае идеально При наличии деформаций, изображения соответствующих элементов двухмерной решетки будут искажаться и смещаться на экране относительно их Преимущества такого метода измерения деформаций: отсутствие механического контакта с пластиной, высокое быстродействие, высокая разрешающая способность.

правило, эти смещения находятся в пределах ±13 мкм и в значительной степени удаляются в процессе последующей шлифовки и полировки поверхностей Рис. 30. Установка дистанционного измере- появлению соответствующих деформаций лицевой стороны. Существенно ния деформаций пластин уменьшить данный вид деформаций можно при одновременной полировке В настоящее время экспериментально установлено, что деформации, возникающие при резании слитков, выращенных по методу Чохральского, с кристаллографической ориентацией (100) составляют ±7 мкм, тогда как для таких же слитков, выращенных зонной плавкой, деформации находятся в пределах ±20 мкм. Это обстоятельство является серьезным фактором, ограничивающим применение метода зонной плавки для выращивания монокристаллических полупроводниковых слитков.

Деформации, возникающие при резании пластин с кристаллографической ориентацией (111), примерно в 4 раза больше для каждого из перечисленных методов.

Деформации пластин, возникающие при проведении основных операций технологического цикла, можно классифицировать следующим образом :

1) упругие и пластические деформации, возникающие при диффузии примесей с высокой концентрацией и обусловленные изменением структурных Рис. 31. Влияние деформаций задней поверхпараметров кристаллической решетки; ности пластины на качество формируемого 2) упругие деформации, обусловленные различием коэффициентов теплового рисунка: а - до фиксации; б - после фиксации расширения при формировании на поверхности пластин пленок окислов, вакуумным устройством нитридов и металлов;

3) упругие и пластические деформации, возникающие в процессе термической обработки, например при окислении или диффузии.

В данной схеме факторы расположены в порядке их значимости. Деформации третьей категории являются наибольшими и в значительной степени определяют выход годных устройств. Поэтому их следует рассмотреть более подробно.

При загрузке пластины в печь для соответствующей обработки или выгрузке из нее вследствие эффекта излучения тепла возникает определенное распределение температур между центральной частью пластины и периферийными участками, несмотря на то, что теплопроводность кремния сравнительно велика - примерно 130 Вт/(моС). Неравномерность распределения температур определяется отношением диаметра пластины к ее толщине, скоростью загрузки и выгрузки пластин, числом пластин в партии, расстоянием между ними, теплоемкостью лодочки, в которой находятся пластины, и режимом термической обработки.

С увеличением отношения диаметра к толщине пластин, сокращением расстояний между пластинами, помещенными в лодочку, увеличением скорости их загрузки и выгрузки неравномерность распределения температур в пластинах возрастает, что приводит к увеличению деформаций. Поэтому для современных пластин диаметром 125 мм и более при толщине 250 - 450 мкм типичные скорости загрузки и выгрузки составляют не более 0,2 - 0,5 см/с.

Наиболее характерными видами деформаций пластин в данном случае являются:

1) деформации типа “седло” при загрузке;

2) деформации типа “чаша” при выгрузке.

При загрузке пластин в печь периферийные области пластины, т.е. ее края, будут нагреваться быстрее, чем центральная область, в силу рассмотренных выше причин. Естественно, при этом периферийные области расширяются сильнее по сравнению с центральной, что и приводит к возникновению краевых деформаций, приобретающих чаще всего форму седла.

При выгрузке пластин из печи, наоборот, периферийные области быстрее остывают. Температура центральной части пластины оказывается выше температуры на ее периферии. Центральная область при этом расширяется сильнее, что и приводит к ее выпячиванию в ту или иную сторону, в зависимости от начальной формы пластины (выпуклая или вогнутая), что и проявляется как деформация, напоминающая чашу.

Следует отметить, что при правильном выборе параметров, таких как скорость загрузки и выгрузки пластин, расстояние между ними, режим термообработки, описанные деформации носят упругий характер и в процессе постепенного выравнивания распределения температур в пластине по мере ее охлаждения или нагревания практически полностью исчезают. При отклонении перечисленных параметров от оптимальных значений деформации преодолевают предел упругости и становятся пластическими, то есть не исчезают даже после выравнивания температуры пластины. Причиной является появление дислокаций, обусловленных скольжением кристаллов. Это, как уже отмечалось, может привести к значительному сокращению выхода годных микросхем.

Разговор о методах выращивания кристаллов был бы незаконченным без рассмотрения процессов эпитаксии.

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки [3].

Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструкции.

Разработка технологии эпитаксиального наращивания была вызвана необходимостью формирования тонких монокристаллических однородно легированных слоев. Получение таких слоев столь же высокого качества иными средствами, например диффузией или ионной имплантацией, невозможно. В отличие от диффузии и ионного внедрения, при которых требуемая концентрация примесей образуется за счет перекомпенсации исходной примеси, эпитаксия дает возможность получать слои в широком диапазоне удельных сопротивлений, не зависящих от степени легирования пластины.

Вследствие сравнительно высокой температуры процесса (1100 - С), граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет формирование эпитаксиальных слоев толщиной менее 1 мкм. Наиболее часто реализуемые эпитаксиальные слои имеют толщину 2 - 10 мкм.

В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для наращиваемой пленки различают следующие виды эпитаксии: твердофазную, жидкофазную и газофазную.

Промышленное применение нашли жидкофазная и газофазная эпитаксии.

Жидкофазную эпитаксию используют, в основном, для создания гетероструктур на основе сложных полупроводников (например, GaAs - GaAlAs). Для кремниевых структур в большинстве случаев используют газофазную эпитаксию, как более простой в условиях серийного и массового производства метод, обеспечивающий высокое качество эпитаксиальных слоев.

Для достижения высокого качества наращиваемой структуры необходимо, прежде всего, чтобы в достройке решетки принимали участие одиночные атомы, а не их группы, предварительно объединившиеся в газовой фазе. Следовательно, протекающие химические реакции должны быть гетерогенного характера, т.е. выделение атомов кремния и примеси должно происходить непосредственно на пластине, а не в среде-носителе. При этом исходные реагенты должны быть подобраны так, чтобы молекулы побочных продуктов реакции при температуре процесса легко десорбировались с поверхности пластины, не загрязняя ее. Ведь чистота поверхности пластины - одно из первых условий качества эпитаксиальной пленки. По мере роста пленки дефекты и дислокации поверхности пластины могут значительно увеличиваться.

Механизмы эпитаксиального наращивания могут быть разделены на прямые и непрямые.

При прямых процессах атомы кремния от источника попадают на поверхность подложки, нагретую до определенной температуры, и, двигаясь по нагретой поверхности, занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки. С энергетической точки зрения поверхность монокристаллического кремния представляет собой двухмерную периодическую решетку, образованную потенциальными ямами. Под воздействием достаточно интенсивных колебаний нагретой до высокой температуры кристаллической решетки атомы кремния, попадающие на поверхность подложки, стремятся занять наиболее выгодные энергетические положения устойчивого равновесия, т.е. положения в ближайших потенциальных ямах, что и соответствует наращиванию слоя в требуемой кристаллографической ориентации. Вероятность того, что атом займет положение, характеризующееся минимальным значением энергии, возрастает с увеличением подвижности атомов, т.е. температуры пластины.

Следует отметить, что при высокой концентрации атомов у поверхности пластины их подвижность значительно снижается вследствие взаимодействия.

Поэтому более совершенную эпитаксиальную структуру при прочих равных условиях можно получить при невысоких скоростях роста пленки (0,1 - 0, мкм/мин).

В рамках прямых процессов эпитаксию осуществляют методами испарения или распыления.

Испарение в сверхвысоком вакууме особенно эффективно, когда требуется предельно высокая чистота осаждаемого материала от молекул остаточных газов и когда загрязнения значительно влияют на свойства границы между подложкой и эпитаксиальной пленкой. В последнем случае после разовой очистки поверхность должна оставаться незагрязненной до начала процесса осаждения.

В связи с этим можно привести наглядный пример. Если пластину поместить в газообразную среду при давлении всего 10-4 Па, то каждый атом поверхности пластины будет испытывать в среднем одно соударение в секунду с молекулами газа. Отсюда вытекает требование проведения испарения наращиваемого материала в сверхвысоком вакууме - при давлении не более 10- Па. Получение такого вакуума даже в современных условиях является достаточно сложной в техническом и финансовом отношении задачей, что является недостатком метода испарения. Для этой цели используют мощные сорбционные, ионно-сорбционные, титановые магниторазрядные насосы, работающие при температурах жидкого азота или жидкого гелия.

Поскольку поверхности конструктивных элементов установки для проведения эпитаксии методом испарения адсорбируют различные газы, которые могут вызвать соответствующие загрязнения поверхности пластины в процессе эпитаксии, их подвергают отжигу при температурах 150 - 600 оС в зависимости от требуемой степени очистки в течение 24 часов.

Для обеспечения достаточной скорости испарения требуются высокие температуры испаряемого образца. Обычно используются следующие методы нагрева:

1) постоянным током;

2) вихревыми токами;

3) электронной бомбардировкой;

4) лазерным облучением.

Нагрев постоянным током используется преимущественно в тех случаях, когда испаряемое вещество является проводником и находится в твердом состоянии при температурах, достаточных для создания требуемого давления пара. При этом из него можно изготовить проволоку и испарять непосредственным нагревом.

Графитовые тигли наиболее подходят для высокочастотного нагрева вихревыми токами закрепленных в них подложек, если испаряемое вещество не вступает в реакцию с графитом.

Применительно к эпитаксии кремния наибольшей эффективность обладает нагрев электронным пучком. Установка испарения кремния электронным пучком, схематически показанная на рис. 32, состоит из одной или нескольких электронных пушек, электростатического экрана, источника магнитного поля, источника испаряемого вещества, основания с водяным охлаждением.

Электронный луч с током 100 - 500 мА эмиттируется электронными пушками, находящимися вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3 - 10 кВ. При помощи электрического или магнитного полей лучи направляются на маленький участок Рис. 32. Установка испарения кремния элекиспаряемого вещества, в результате чего оно локально плавится и интенсивно тронным пучком: 1 - электронная пушка; 2 испаряется. При этом само испаряемое вещество образует, по сути, локальный электростатический экран; 3, 4 - основание с тигель. Разогретый до температуры плавления (1420 оС) испаряющийся крем- водяным охлаждением; 5 - источник испаряений не контактирует непосредственно с элементами конструкции установки, мого вещества; 6 - расплав испаряемого вещечто значительно снижает загрязнения и является важным преимуществом ства; 7 - электронный луч данного метода нагрева (см. рис. 32).

Основной недостаток состоит в том, что подложка и наращиваемая пленка подвергаются воздействию рентгеновских лучей и ионов больших энергий, а также атомов испаряемого вещества. Этого можно избежать, если вместо электронных пучков использовать для нагрева сфокусированный лазерный луч высокой интенсивности.

Распыление представляет собой выбивание атомов материала из источника в процессе его бомбардировки потоком ионов.

Количество атомов, покидающих мишень с единицы площади в единицу времени, определяется соотношением где J+ - плотность тока ионов; g - число, характеризующее заряд иона в единицах заряда электрона; S - коэффициент распыления в атомах на один падающий ион, зависящий от энергии ионов, типа ионов и материала мишени.

Наиболее оптимальным считается диапазон энергий ионов 0,5 - 3 кэВ, что примерно соответствует распылению одного атомного слоя мишени в секунду и в несколько раз меньше скорости испарения в глубоком вакууме.

Для реализации метода распыления на практике используются технологические установки, называемые магнетронами. Магнетрон состоит из катодамишени, являющегося внутренним цилиндрическим электродом, внешнего цилиндрического анода и подложек, расположенных на внутренней поверхности анода. Объем между катодом и анодом заполнен инертным газом (аргоном или ксеноном) при давлениях 1 - 10 Па. Под воздействием электрического поля между катодом и анодом возникает тлеющий разряд. Вдоль оси цилиндрических электродов направлено магнитное поле, повышающее эффективность ионизации атомов инертного газа свободными электронами. Ионы, ускоряясь в электрическом поле высокой напряженности, движутся к катоду и выбивают с поверхности мишени атомы, оседающие на подложках.

Таким образом, прямые методы эпитаксиального выращивания позволяют формировать очень чистые и качественные пленки. Однако непрямые процессы лучше контролируются и являются более предпочтительными для получения легированных слоев.

В непрямых процессах атомы кремния осаждаются в процессе химической реакции, проходящей на поверхности подложки [5]. По типу используемых реакций непрямые методы можно разделить на две группы:

1) с использованием реакций разложения;

2) с использованием реакций восстановления.

Как уже отмечалось, важной особенностью непрямых механизмов эпитаксии является, с одной стороны, необходимость обеспечения гетерогенного характера протекающих химических реакций, т.е. непосредственно на поверхности пластины, а с другой стороны - требование эффективной десорбции продуктов реакций во избежание загрязнения поверхности пластин.

Непрямые процессы эпитаксии происходят в следующей последовательности:

1) перенос вступающих в реакцию молекул к поверхности пластины;

2) адсорбция молекул поверхностью;

3) процесс реакции на поверхности;

4) десорбция продуктов реакции;

5) перенос молекул продуктов реакции в основной поток газа;

6) упорядочение адсорбированных атомов в кристаллическую решетку.

Для проведения эпитаксии посредством пиролитического разложения наиболее широко используемым соединением является силан SiH4 вследствие его доступности. При температуре 1000 оС силан разлагается на кремний и водород:

Недостатком силана является его способность воспламеняться на воздухе, поэтому его необходимо хранить в баллонах с большими мерами предосторожности и вводить в реактор сильно разбавленным водородом (свыше 95%). Реактор при этом тщательно очищают от следов кислорода и влаги (например, с помощью вакуумного насоса). Наличие водорода также предохраняет силан от разложения в газовой фазе, что обеспечивает гетерогенный характер реакции и улучшает качество эпитаксиальной пленки.

Для формирования легированных эпитаксиальных пленок применяют диборан B2H6 и фосфин PH3:

Растущую пленку легируют за счет подачи в реактор силана и примесесодержащего вещества в определенном процентном содержании в зависимости от требуемой степени легирования растущей пленки.

При использовании реакций восстановления в качестве кремнийсодержащих веществ применяют тетрахлорид кремния SiCl4, тетрабромид кремния SiBr4, трихлорсилан SiHCl3, дихлорсилан SiH2Cl2 и другие соединения:

При формировании легированных слоев используют хлорид бора BCl3, бромид бора BBr3, хлорид фосфора PCl3:

Приведенные гетерогенные реакции реализуются в технологических установках с непрерывной подачей рабочей смеси через реактор (метод открытой трубы), схема одной из которых показана на рис. 33.

Рис. 33. Схема установки для проведения эпитаксии посредством реакций В данной установке с вертикальным реактором для выделения кремния и легирующей примеси используются реакции восстановления, причем источники кремния (SiCl4) и примеси (BBr3) - жидкие. Водород выполняет роль реагента и газа-носителя для транспортировки паров SiCl4 и BВr3. Азот применяется для продувки системы. Хлористый водород - для травления пластин.

Углекислый газ - для получения пленки окисла на поверхности эпитаксиальной пленки. Каждый газ подается из соответствующего баллона по отдельной магистрали, содержащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр, ротаметр (для измерения расхода газа) и клапан с электромагнитным управлением.

Основные реагенты в поток газа-носителя подаются, как правило, барботажным методом или испарением с поверхности. При барботажировании газноситель пропускают через жидкость для насыщения ее парами (см. рис. 33).

В источниках испарительного типа газ проходит над поверхностью жидкости, захватывая ее пары. В обоих случаях степень насыщения водорода парами определяется его расходом и температурой источника. Источники размещены в термостатах, позволяющих поддерживать температуру с точностью ±1оС.

Наряду с вертикальными реакторами (см. рис. 33), используют также горизонтальные. Но в вертикальных реакторах за счет осевой симметрии конструкции легче получить симметрию температурного и газодинамического полей, что при многоместной обработке обеспечивает более высокую воспроизводимость результатов.

Температура, необходимая для гетерогенной реакции, создается непосредственно на поверхности пирамидального держателя пластин, в то время как стенки реактора остаются относительно холодными. Это достигается за счет индукционного нагрева держателя и водяного охлаждения стенок реактора. Через медную трубку индуктора также пропускают воду. Пирамидупластинодержатель выполняют из высокочистых сортов графита, покрытого карбидом кремния во избежание загрязнений. Для создания идентичных условий осаждения грани пирамиды имеют наклон 5 - 7о (см. рис. 33). Предусматривается также возможность вращения пирамиды. Реактор представляет собой кварцевую трубу, на выходе которой отходы реакции собираются специальным устройством (скруббером), где сжигаются в водородном пламени.



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«144 ГЛАВА 5 РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 5.1. ВВЕДЕНИЕ Принципиально новая идея построения электронного микроскопа была сформулирована в 1935 году М.Кнолем (идея оптического сканирующего микроскопа была ранее высказана и реализована одним из создателей современного телевидения В.К.Зворыкиным в 1924 году) [1-5]. Согласно этой идее изображение объекта формируется последовательно по точкам и является результатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхностью образца. Каждая точка...»

«Информационные процессы, Том 13, № 4, 2013, стр. 306–335. 2013 Кузнецов, Баксанский, Жолков. c ИНФОРМАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ От прагматических знаний к научным теориям. II Н.А. Кузнецов, О.Е.Баксанский, С.Ю.Жолков Институт радиотехники и электроники, Российская академия наук, Москва, Россия Институт философии, Москва, Россия НИУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Москва, Россия Поступила в редколлегию 23.09.2013 Аннотация—Анализ априоризма в его “классическом” понимании и определение границ, в...»

«Отчет ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по целевой программе Президиума РАН Поддержка молодых ученых за 2012 год: Федеральное государственное бюджетное учреждение наук и Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (включая Фрязинский, Саратовский и Ульяновский филиалы) в рамках интеграции с Вузами имеет 11 научно-образовательных центров, в которых обучается 538 cтудентов и 55 аспирантов, 1 докторант, 7 соискателей: 1. Кафедра твердотельной электроники и...»

«Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ 1’2007 СЕРИЯ История науки, образования и техники СО ЖАНИЕ ДЕР ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ Редакционная коллегия: О. Г. Вендик Золотинкина Л. И. Начало радиометеорологии в России Партала М. А. Зарождение радиоразведки в русском флоте Ю. Е. Лавренко в русско-японскую войну 1904-1905 гг. В. И. Анисимов, А. А. Бузников, Лавренко Ю. Е. Коротковолновое радиолюбительство в истории радиотехники Л. И. Золотинкина, Любомиров А. М. Индукционная плавка оксидов В. В. Косарев, В. П. Котенко, в...»

«621.391.2(07) № 4053 Р 851 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образования Южный федеральный университет ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ОБРАЗОВАНИЕ (2006—2007 гг.) ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ И Руководство к циклу лабораторных работ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕМОДУЛЯТОРОВ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Для студентов специальностей 210304 Радиоэлектронные системы и 210402...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Полоцкий государственный университет УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе В.В. Булах _ _ 2009г. Английский язык для начинающих радиотехнического факультета и факультета информационных технологий УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС для студентов специальностей 40.01.01 Программное обеспечение информационных технологий 39.02.01 Моделирование и компьютерное проектирование РЭС 40.02.01 Вычислительные машины и сети 36.04.02 Промышленная...»

«1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ Для студентов очного обучения факультетов Электроники, ИТ и РТС МОСКВА 2011 2 Составители: А.Ф.Золотухина, О.А.Малыгина, Е.С. Мироненко, Т.А. Морозова, О.Э. Немировская-Дутчак, Э.В. Переходцева, И.Н. Руденская, Л.И....»

«Некоммерческое акционерное общество АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Телекоммуникационные системы Специальность 6М071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Зав. кафедрой к.т.н. Шагиахметов Д.Р. (ученая степень, звание, ФИО) (подпись) _ _ 2014г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка на тему: Исследование влияния различных факторов на скорость распространения сигнала по технологии WLL Магистрант_Абданбаева М.М. _ группа МТСп-12- (Ф.И.О.)...»





Загрузка...



 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.