Направление развития микроэлектроники. Основные параметры ИС

Направление развития микроэлектроники. Основные параметры ИС

Требования к организации производства. Классы чистоты.

Планарная технология. Базовые технологические операции и технологические этапы.

 

Термическое окисление кремния. Уравнение Дила и Гроува.

Методы термического окисления. Влияние технологических параметров. Сегрегация примесей.

Маскирующие и электрические свойства SiO2.

Si-Si0₂ обладают уникальными свойствами.

Слои Si0₂ используются как:

· маска приионной имплантации и диффузии легирующих примесей (400-600 нм);

· изоляция элементов ИС (100-400 нм);

· подзатворный диэлектрик в МДП-структурах (10-30 нм);

· пассивирование поверхностных структур.

Si0₂ – маска

• Кремний может быть селективно вытравлен.

• Кремний выдерживает температуру больше 1000 градусов.

Во всех тонких пленках Si0₂ – аморфный материал. Его кристаллическая структура нам не важна.

Способы получения Si0₂:

• термическое окисление;

• анодное окисление – электрохимический (жидкостной) процесс, получается при пропускании тока (используется крайне редка);

• плазмохимическое окисление – осаждение из газовой фазы.

Термическое окисление

1) Кислород (сухое окисление)

2) Пары воды с получением побочного продукта реакции (влажное окисление)

Модель Дила-Гроува хорошо описывает окисление для окислов толщиной больше 10 нм и для не очень низких температур 1000±200 градусов.

У кремния всегда есть естественный окисел порядка несколько нм толщиной. Чтобы учесть его наличие вводят t₀ (τ) – время, которое понадобилось бы, чтобы вырастить естественный окисел по закону Дила-Гроува. Естественный окисел обладает плохими электрическими свойствами. Неконтролируемо растет.

Два приближения:

1) t – малое. Линейная зависимость на начальном этапе роста. Можно пользоваться для создания тонких пленок.

2) t – большое. Параболическая зависимость (корневая). Маскирующие слои и изоляция. Для толстых окислов.

В – параболическая константа. Константа А названия не имеет. В/А – линейная константа.

Окисление во влажном кислороде на порядок быстрее. Во влажном кислороде окисление идет парами воды (кислород роли не играет). Но во влажном кислороде остаточные группы ОН отрицательно влияют на окисел, при этом границы раздела гораздо хуже и ниже пробивное напряжение.

Влажное окисление – быстрое окисление, но хуже окисел.

Зависимость скорости окисления от температуры

· Параболическая константа В имеет экспоненциальную зависимость от температуры (растет с увеличением температуры). Связана с диффузией.

· Линейная константа зависит непосредственно от скорости реакции на границе. Чем больше температура, тем проще разорвать связь кремний-кремний.

Методы легирования в микроэлектронике. Локальная диффузия из бесконечного источника

Ионное легирование.

Образование и отжиг радиационных дефектов. Доза аморфизации.

· Физическое внедрение ионов.

· Сложный метод и более дорогой. Менее производительный.

Преимущества метода ионной имплантации:

+ Анизотропия;

+ Низкая температура;

+ Универсальность в выборе примеси (можем вводить все что угодно);

+ Точный независимый подбор дозы и глубины (позволяет измерять точное количество введенных ионов).

Оборудование для ионного легирования

• высокий вакуум;

• высокие энергии ионов 10-500 кэВ;

• гидриды, галогениды;

Задаем энергию ионов и дозу.

Доза – количество ионов, попавших на мишень.

Обычно используют однозарядные ионы.

Негрупповой процесс. Только для одной пластины. Производительность на 2 порядка меньше, чем у диффузии.

Время зависит от дозы. Путем увеличения тока можно добиться повышения дозы без дополнительного времени. Если увеличивать ток, то нужна более точная фокусировка.

Где возможно, используют диффузию. Если использование диффузии невозможно, то тогда применяют ионную имплантацию.

Теория Линдхарда-Шарфа-Шиотта (ЛШШ).

Симметричная функция Гаусса.

Если подложка легирована примесью противоположногознака с концентрацией N_подл, то p-n-переход возникает на глубине xj, на которой

Эффект каналирования – отрицательный эффект, так как зависит от массы трудноуправляемых (неуправляемых) факторов (температура, угол). Поэтому этот эффект стараются подавить и получить случайное рассеяния. 

Самая большая площадь каналов для ориентации 110.

Методы подавления каналирования:

· критический угол;

· высокие температуры (узлы кристаллической решетки колеблются);

· аморфные пленки.

Если подавили эффект каналирования, то получаем гауссову функцию. Q(Ф) – доза.

Бор – самый легкая примесь, в три раза легче кремния.

Чем больше энергия, тем больше отклонение от распределения Гаусса. Также с ростом энергии увеличивается боковое рассеяние.

Требования к маске:

В случае диффузии должна быть высокотемпературной, не реагировать с диффузантами и коэффициент диффузии должен быть маленьким.

В случае ионной имплантации толщина маски должна быть d>>R_p+3ΔR_p. Толщины примерно такие же, как и для диффузии.

Недостатки ионной имплантации:

В процессе торможения ион создает большое количество дефектов, на каждый падающий ион с энергией 100 кэВ получаем 10 000 дефектов. Полностью разупорядоченный кремний – аморфизированный кремний. Доза аморфизации зависит от температуры и сорта атомов. Чем тяжелее атом, тем меньше доза аморфизации.

1) После ионной имплантации возникает либо аморфная среда, либо среда с большим количеством дефектов. Чтобы атом играл свою легирующую роль, он должен встать в узел кристаллической решетки. Чтобы поставить атом в узел кристаллической решетки, нужно провести отжиг. Чем больше доза, тем больше нарушений. Отжиг нужно проводить при высокий температурах (900-1000 градусов) около 30 минут.

2) Во время отжига будет идти диффузия, и мы будем терять преимущества ионной имплантации.

Полностью амофизованную область легче отжечь, чем частично аморфизованную. Для полностью аморфизованного кремния отжиг проводится при более низких температурах – около 600 градусов.

 

ВУФ литография.

Литография в экстремальном ультрафиолете 10-100 нм.

• Уменьшение длины волны, меньше, чем в эксимерных лазерах.

• Длина волны больше на 2 порядка, чем в рентгеновском.

• Большая энергия квантов.

• Такие длины волн не отражаются металлами, поглощаются.

Проблемы

- Нет оптики.

- Как сделать отражательные и многослойные шаблоны?

- Какие фоточувствительные материалы есть?

- Совмещение

Источники: лазерная плазма, газовые источники.

Рентгенолитография.

· Использовали уже в прошлом веке.

· Разрешение хуже, чем в фотолитографии (>100 нм).

Проблемы:

- Отсутствие оптики: нельзя сделать какие-либо оптические системы, так как рентгеновские лучи не преломляются и не отражаются.

На дифракционных решетках делали брэгговскую сетку.

► Для жесткого УФ будет картина.

► Для рентгеновских лучей не получили желаемого результата.

Работаем с исходными точечными источниками. Будем иметь размытие из-за неточности источника. Нужен каллимированный источник – параллельные лучи.

- Все материалы очень сильно поглощают рентгеновские лучи. Фотошаблоны делают из тяжелых металлов: хром, золото.

Оптимальнее использовать глубокий/экстремальный УФ.

Адгезия

· Физическая адгезия: Вандервальсовы силы, слабая адгезия, 0,2 эВ.

· Химическая адгезия (хемоадгезия): с протеканием химической реакции, образуются химические связи между веществами, нас интересует этот тип адгезии.

Электромиграция

Гигантские плотности токи. При этом электроны рассеиваются на ионах, в электрической шине возникают дефекты – пустоты. Явление электромиграции определяет срок службы.

Решения:

· ограничивать плотность тока → накладываются ограничения на размеры шин;

· использование поликристаллов;

· использование не чистого алюминия, а с примесями меди, ванадия и др.

Недостатки алюминия:

· прокол p-n перехода, с этой проблемой можно бороться – адгезионный барьер;

· плохая стойкость к электромиграции;

· неконфорное осаждение;

· химически активный материал, не стойкий к высоким температурам.

Нужно разрабатывать конфорные методы осаждения. Такие способы более сложные технологически.

Силициды используются для металлизации.

Методы металлизации

1. Термическое испарение (электронно-лучевой и индукционный нагрев);

2. Распыление (катодное, высокочастотное, магнетронное);

3. Химическое осаждение из парогазовых смесей при пониженном давлении. Преимущества: конформное покрытие, возможность нанесение на большое количество подложек одновременно, простое оборудование.

Адгезионный слой обеспечивает адгезию и предотвращает диффузию.

Металлизация на основе меди

Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор.

Подконтактное легирование коллектора необходимо, чтобы обеспечить омический контакт (если не пролегировать будет диод Шоттки).

Очень большое последовательное сопротивление коллектора.

Эпитаксия позволяет вырастить слаболегированные слои на более легированном материале.

Инвертор на n-МОП

Направление развития микроэлектроники. Основные параметры ИС

Требования к организации производства. Классы чистоты.

Планарная технология. Базовые технологические операции и технологические этапы.