Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы технологии электронной компонентной базы». Липатов Г.И

4. Приспособление для изготовления косого шлифа.

5. Металлографический микроскоп МИМ-7 или МИМ-8.

6. Установка для измерения сопротивления четырехзондовым методом.

7. Фторопластовый стакан.

8. Пинцет с фторопластовыми наконечниками.

9. Сушильный шкаф (120 С).

Материалы:

1. Кремний n-типа с удельным сопротивлением 0,50—4,5 Ом см (в виде пластин, полированных до 14 класса чистоты поверхности).

2. Кислоты: плавиковая (48 %-я), азотная (70 %-я), соляная.

3. Растворители: толуол, этиловый спирт.

4. Аргон чистый.

5. Кислород.

6. Фильтровальная бумага.

Технология диффузионного легирования кремния

Установка для диффузионного легирования кремния (рис. 8) аналогична установке для термического окисления кремния.

Рис. 8

Поверхность оптически полированной пластины кремния n-типа обезжиривают в кипящем толуоле, затем кипятят в азотной кислоте до исчезновения бурых окислов азота, промывают дистиллированной водой и хранят в бюксе со спиртом. Кварцевую трубу, в которой будет проводиться процесс диффузии, необходимо промыть смесью HNO₃:НС1=1:3, затем водой и высушить в диффузионной печи. Такой же обработке подвергается и держатель пластин. Перед загрузкой пластины в диффузионную камеру измеряют поверхностное сопротивление четырехзондовым методом, используя стандартную компенсационную схему. Методика измерения и расчета поверхностной концентрации приведена ниже.

Технологический режим загонки бора. Предварительно печь разогревают до рабочей температуры в изотермической зоне 1000±1 С в потоке аргона, отрегулированном так, чтобы через гидрозатвор проходило 3—5 пузырьков в секунду, что соответствует скорости потока 18—20 л/ч.

Кремниевую пластину помещают в держатель. Открыв шлиф (поток аргона не выключать), вдвигают пластину лицевой стороной назад в диффузионную трубу. Во избежание растрескивания пластины её помещают не сразу в рабочую зону, а предварительно в течение 5 мин выдержав при 400—500 °С. Загонку проводят в течение 20 мин.

В процессе загонки на поверхности кремния формируется относительно тонкий, насыщенный бором слой. Диффузия при «загонке» идет из бесконечного источника. По окончании процесса выдвигают держатель в зону 400—500 °С и после 5 мин выдержки вынимают из диффузионной трубы. Стравливают поверхностный слой В₂O₃ и возможные следы SiO₂ на поверхности пластины в плавиковой кислоте (фторопластовый стакан, пинцет с фторопластовыми наконечниками). Пластину тщательно промывают и этиловым спиртом, высушивают фильтровальной бумагой, вновь измеряют поверхностное сопротивление. По полученным данным рассчитывают поверхностную концентрацию диффузанта N₀ и его общее содержание в пластине Q.

Технологический режим разгонки бора. Диффузионную печь нагревают до 1200±1 С при потоке кислорода через барботер с кипящей водой 3—4 пузырька в секунду (расход кислорода 11—14 л/ч). Промытую спиртом и высушенную кремниевую пластину вдвигают в рабочую зону постепенно, выдержав «предварительно в зоне низкой температуры в течение 5 мин. Закрывают трубу шлифом, корректируют расход кислорода и проводят «разгонку» в течение 1 ч. При этом в окислительной атмосфере на поверхности пластины образуется слой боросиликатного стекла, который играет роль отражательной границы. Происходит дальнейшая диффузия бора в кремний из сформированною на первой стадии диффузии тонкого диффузионного слоя с высокой поверхностной концентрацией бора. Граница диффузионного слоя продвигается в глубь кристалла. Окончательное положение p—n-перехода определяется временем диффузии при разгонке. По окончании процесса пластину постепенно выдвигают из рабочей зоны. Поверхностный слой боросиликатного стекла стравливают в плавиковой кислоте. После промывки и сушки пластины приступают к изучению диффузионного слоя.

Рис. 9

Оценка параметров диффузионных слоев. Измерение поверхностного сопротивления (рис. 9) проводят четырехзондовым методом в пяти точках в средней части пластины и определяют среднее арифметическое. Расчет R_s осуществляют по формуле

где U — напряжение, измеряемое на потенциальных зондах, мВ; 1 — ток через образец, мА. Формула, не учитывающая расстояние между зондами, пригодна для бесконечного слоя.

Рис. 10

Для упрощения расчетов рекомендуется установить рабочий ток 4,5324 мА. Тогда поверхностное сопротивление будет численно равно падению напряжения на потенциальных зондах: R_s [Ом/]=U [мВ]. Для определения фоновой концентрации доноров в исходной пластине кремния n-типа используют график рис. 10, принимая во внимание, что в данном случае R_s является мерой удельного сопротивления кремния, поскольку примесь распределена в исходном материале равномерно. Определенная таким образом концентрация доноров N_д необходима в дальнейшем для расчета глубины залегания p—n-перехода.

Рис. 11

Измеряя поверхностное сопротивление после загонки бора, определяют его поверхностную концентрацию N₀ и общее количество акцепторов Q в тонком диффузионном слое. Поскольку при загонке диффузия идет из бесконечного источника в течение небольшого промежутка времени, толщина этого слоя принимается равной . Зависимость коэффициента диффузий бора от температуры, описываемая уравнением

Средняя проводимость слоя , См/см

Рис. 12. Зависимость поверхностной концентрации от средней проводимости слоев p-типа в кремнии с фоновой концентрацией доноров N_ф=110¹⁵ см^–3 при erfc-распределении

приведена на рис. 11. Зная величины R_s и h при загонке, определяют среднюю проводимость слоя по формуле

По рис. 12 определяют соответствующую поверхностную концентрацию бора N₀. Текущую координату x в определении принимают равной нулю, что соответствует поверхности. Тогда х_j, определяющая координату p—n-перехода, равна толщине диффузионном слоя h. При этом условии поверхностную концентрацию N₀ определяют (рис. 12) по кривой с параметром х/х_j=0. Изменяя х в пределах от 0 (поверхность) до х_j (p—n-переход) и рассчитывая соответствующие значения и параметра х/х_j, по рис. 10 определяют концентрацию примеси на любом расстоянии от поверхности при erfc-распределении. Строят график N=f(x) в полулогарифмических координатах. По соотношению (2) рассчитывают общее количество бора Q, внедренного в кремний при загонке.

По полученным данным рассчитывают глубину залегания p—n-перехода при «разгонке», используя соотношение (3), в предположении, что этот процесс представляет собой диффузию из ограниченного источника (Q) с отражающей границей (окисел) в полуограниченное тело (пластину). При этом на границе p- и n-областей концентрация акцепторов N(x) должна равняться фоновой концентрации доноров в исходном кремнии (см. рис. 4). Рассчитанную исходя из уравнения (3) глубину залегания p—n-перехода сравнивают с экспериментально определенной методом косого шлифа (см. ниже). По уравнению (3) также рассчитывают диффузионный профиль бора в кремнии N(x) при фиксированном времени разгонки (1 ч) через 0,25 мкм. Строят график в координатах lgN(x) (см^–3) — x (мкм).

Экспериментальное изучение p—n-перехода

Толщину диффузионного слоя, а следовательно, и глубину залегания p—n-перехода определяют методом косого или сферического шлифа. В первом случае зажатый в специальном приспособлении образец кремния сошлифовывают под углом =3—5 вращательными движениями по толстому зеркальному стеклу, на которое предварительно нанесена алмазная паста или водная суспензия микропорошка карбида кремния М10. Во втором случае стальной шарик диаметром D (30—100 мм) вращают, касаясь поверхности пластины. В место соприкосновения подается алмазная паста или оксид хрома. Образующаяся сферическая лунка должна быть глубже p—n-перехода. Капля раствора, состоящего из 0,05—0,1 % азотной (70 %-ной) кислоты в 48 %-ной плавиковой кислоте, помещается на поверхность шлифа и через 2—3 мин при сильном освещении места контроля р-область темнеет, в то время как n-область остается светлой. Механизм окрашивания связан с образованием диоксида кремния на поверхности р-области, богатой необходимыми для окисления дырками. При освещении за счет фотоэффекта переход смещается в обратном направлении и это обеспечивает разную скорость травления областей p- и n-типов.

Измеряя с помощью инструментального микроскопа с микрометрической насадкой расстояние d от поверхности образца до p—n-перехода вдоль косого шлифа или расстояние l, представляющее проекцию d на поверхность исходной пластины, находят глубину залегания p—n-перехода:

x_j=dsin=ltg.

Во втором случае измеряя больший d₂ и меньший d₁ диаметры окрашенной (в случае диффузии акцепторов) или неокрашенной (в случае диффузии доноров) области, глубину залегания p—n-перехода находят по формуле:

x_j=(d₂²–d₁²)/(4D).

Экспериментально определенную глубину перехода сравнивают с теоретически рассчитанной.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Лабораторное задание.

4. Описание установки диффузионного легирования.

5. График распределения примеси по глубине.

6. Результаты поверхностное сопротивление диффузионного слоя и глубины залегания p—n-перехода.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Понятие о диффузии примесей в полупроводник и основные процессы, определяющие её.

2. Что такое коэффициент диффузии?

3. Первое уравнение Фика и его физический смысл.

4. Второе уравнение Фика и его физический смысл.

5. Диффузия из бесконечного (постоянного) источника примеси. Математическая модель и её реальное применение.

6. Диффузия из ограниченного источника примеси. Математическая модель и её реальное применение.

7. Из каких соображений выбирают поверхностную концентрацию примеси?

8. Как условно изображают образование p—n-перехода?

9. Чем отличаются распределения концентраций по глубине при диффузии из ограниченного и бесконечного источников?

10. Нарисовать распределение примеси при загонке при Т₁<Т₂<Т₃ и t=const.

11. Нарисовать распределение примеси при разгонке при t₁<t₂<t₃ и T=const.

12. Техника проведения процессов диффузии (диффузия из газовой, жидкой и твердой фаз).

13. Охарактеризуйте основные диффузанты.

14. Объясните принцип работы установки, предназначенной для диффузионного легирования.

15. Объясните цель, задачи, метод диффузионного легирования. Последовательность операций, необходимых для проведения процесса диффузионного легирования.

Лабораторные работы № 5, 6 изучение процессов напыления тонких металлических пленок

Цель работы: ознакомиться с методами вакуумного термического и магнетронного напыления тонких металлических пленок и получить практические навыки работы на технологическом и лабораторном оборудовании.

Теоретические сведения

В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) широко используются тонкие металлические пленки, выполняющие роль коммутационных элементов и контактных площадок, а также резисторов и обкладок конденсаторов. В зависимости от назначения элементов ИС используют как пленки из алюминия, меди, никеля, хрома, титана, молибдена, платины, золота, так и многослойные пленочные структуры.

Наибольшее распространение получили следующие методы нанесения тонких пленок:

термическим испарением материалов в вакууме (резистивным, высокочастотным, электронно-лучевым нагревом);

ионным распылением (катодным, ионно-плазменным, магнетронным).

Термическое испарение в вакууме по сравнению с другими методами обладает рядом преимуществ. Так, в высоком вакууме (10^–4—10^–7 Па) можно наносить особо чистые пленки, т.е. мало загрязненные молекулами остаточных газов (O₂, Н₂, N₂, СО₂ и др.). Относительная простота метода, а также возможность автоматизации процесса позволяют осаждать пленки с воспроизводимыми параметрами. Термическое испарение основано на создании направленного потока пара вещества и последующей его конденсации на поверхности подложек, температура которых существенно ниже температуры источника пара. Типовая рабочая камера установки термического испарения показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема термического испарения в вакууме: 1 — колпак; 2 — нагреватель подложек; 3 — подложкодержатель; 4 — подложка; 5 — заслонка; 6 — испаритель; 7 — уплотнительная прокладка; 8 — опорная плита установки

Процесс термического испарения состоит из трех основных этапов: испарения вещества; переноса его паров к подложкам; конденсации на них и образовании пленочной структуры. При нагревании до определенной температуры вещество испаряется, кинетическая энергия его частиц (атомов и молекул) возрастает, в результате чего увеличивается вероятность разрывов межатомных и межмолекулярных связей. Отрываясь от поверхности, частицы вещества распространяются в свободном пространстве, образуя пар. При этом возможны две схемы испарения: твердая фаза — жидкая фаза — парообразная фаза и твердая фаза — парообразная фаза (сублимация). Вторую схему испарения также часто называют возгонкой. При этом частицы вещества испаряются с поверхности, создавая в замкнутом объеме V некоторое давление пара р. Одновременно происходит обратный процесс — конденсация. При V=const, Т=const и p=const скорости испарения v_и и конденсации v_к равны. Условия, при которых соблюдается равенство, называют равновесными (состояние насыщения), а образующийся при этом пар — насыщенным. Температуру, при которой давление насыщенного пара вещества равно 1 Па, называют температурой испарения (Т).

При нанесении пленок вещество должно испаряться в молекулярном режиме, при котором молекулы перемещаются от испарителя к подложке прямолинейно, без столкновений и рассеяния. Эти условия достигаются при давлении остаточных газов p<10^–2 Па, а насыщенного пара p_s<10² Па. При таком режиме скорость испарения, которую можно оценить по формуле

оказывается невысокой. Здесь М — молекулярная масса испаряемого вещества, Т — температура испарения. При p_s>10² Па скорость испарения оказывается настолько велика, что над поверхностью подложек образуется слой пара, затрудняющий молекулярное истечение пара. При p>10^–2 Па также создаются условия для немолекулярного режима испарения, так как длина свободного пробега частиц меньше расстояния между подложкой и испарителем. Кроме того, форма молекулярного пучка должна быть такой, чтобы обеспечивалась максимальная направленность движения частиц испаряемого вещества к подложке. Для осаждения равномерной по толщине пленки плотность падающего пучка частиц должна быть одинаковой по всей площади поверхности подложки.