5.1. epitaxia

5. TEHNICI DE DEPUNERI DE STRATURI

Depunerile sunt necesare la realizarea de straturi semiconductoare cu aceeaşi structură sau diferită de cea a substratului, straturi conductoare sau izolante. Tehnicile de depunere folosite pentru realizarea de straturi izolante sau de oxid permit realizarea şi a depunerilor de alte materiale, cum ar fi metale sau pelicule semiconductoare. În producţia industrială a dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate sunt utilizate mai multe tehnici de depunere: evaporare termică, pulverizare catodică, depunere chimică în fază de vapori, depuneri la joasă presiune, depunere asistată de plasmă. În acest scop se folosesc instalaţii speciale (Anexa 1) care funcţionează în medii cu condiţii controlate (grad de curăţenie, temperatura de lucru, etc.).

a) Evaporarea termică Tehnica evaporării termice constă în încălzirea în vid, până la vaporizare, a

materialului care urmează a fi depus. În aceste condiţii, vaporii vor migra în incintă şi se vor condensa pe substrat, realizând depunerea. Şarja cu materialul de vaporizat se plasează într-un creuzet (din wolfram).

Controlul grosimii straturilor depuse se realizează cu ajutorul balanţei cu cuarţ. Principiul acestei balanţe constă în măsurarea deviaţiei frecvenţei de oscilaţie a unui cristal de cuarţ, variaţie apărută odată cu modificarea masei acestuia. În timpul depunerii de material, depunerea se face şi pe cuarţ, în acelaşi timp cu cea de pe substrat. Acest proces de măsurare presupune o etalonare, care se face la începutul fiecărui proces de depunere, stabilindu-se valoarea frecvenţei de referinţă. Prin măsurarea abaterii de frecvenţă în timp, se poate determina viteza de creştere a grosimii stratului depus. Depunerea chimică în faza de vapori. Tehnicile de depunere chimică în fază de vapori sunt folosite pentru depunerea de siliciu policristalin sau pentru depunerea de straturi izolante. Procedeul de depunere are loc, în general, în cuptoare în care se introduc substanţele reactive. Calitatea depunerii (proprietăţile structurale şi electrice) este influenţată de temperatura şi presiunea din cuptor. Depunerea chimică în fază de vapori asistată de plasmă. În tehnica aceasta substanţele sau elementele ce urmează a fi depuse sunt produse la temperatură joasă printr-un aport de energie electromagnetică (furnizată de o sursă de radiofrecvenţă). Prin acest procedeu se evită încălzirea la temperaturi ridicate, care poate avea uneori consecinţe nedorite (spre exemplu: redistribuirea dopanţilor). Pentru a se obţine o calitate bună a straturilor depuse, este necesară o preîncălzire a substraturilor pe care se realizează depunerea. Depunerea chimică în fază de vapori la joasă presiune. Depunerea chimică, în acest caz, se realizează într-un cuptor cu "pereţi calzi", la temperaturi de 500...600°C şi la joasă presiune. În incinta cuptorului se injectează gazele active care vor reacţiona, sintetizând materialul ce urmează a fi depus.

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

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

http://www.buginword.com


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

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

Tehnologie electronică 52

b) Depunerea prin pulverizare catodică sau cu tun de electroni Acest procedeu constă în bombardarea materialului care urmează a fi depus

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

5.1. Epitaxia

Prin epitaxie se înţelege procesul de creştere a unui strat monocristalin pe un suport orientat. Semnificaţia cuvântului, provenind din limba greacă, este: epi=pe şi taxis=aranjare. Procesul constă în transportul atomilor dintr-o fază: solidă, lichidă sau gazoasă la suprafaţa unui suport monocristalin pe care să continue creşterea cristalină a substratului. Aceasta tehnică foloseşte un substrat cu rol de germene cristalin pe care creşte un nou strat (pe monocristalul de bază), prin aport de atomi din exterior. Noul strat obţinut în acest fel poate fi dopat sau nedopat.

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

5.1.1. Descrierea procesului. Caracteristici

În funcţie de modul în care se realizează transportul de la sursă la stratul pe care

creşte substratul semiconductor monocristalin, procesele de creştere epitaxială se împart în directe şi indirecte.

Straturile epitaxiale pot fi de acelaşi fel, în cazul homoepitaxiei, când materialele sunt identice (de exemplu: creşterea prin epitaxie a unui strat de siliciu n- peste un strat de siliciu n+, pentru obţinerea joncţiunii colector-bază a unui tranzistor bipolar, permiţând creşterea tensiunii de străpungere) sau materialele diferite în cazul heteroepitaxiei. În acest ultim caz, creşterea nu va fi posibilă decât dacă există compatibilitate între reţelele cristaline ale celor două materiale (aceeaşi geometrie a reţelei cristaline şi diferenţe mai mici de 1...2 % între distanţele dintre atomi).

Pe baza mecanismelor fizice ale creşterii epitaxiale se pot analiza posibilităţile de fixare în reţeaua cristalină a atomilor singulari care ajung la suprafaţa substratului. Pentru ca atomii să se poată deplasa la nivelul suprafeţei cristalului este necesară găsirea unei poziţii în care acesta să se poată fixa. În funcţie de poziţia în care atomii ating suprafaţa substratului, înainte de formarea legaturilor chimice cu cristalul de bază pot să apară următoarele situaţii: - atomul ajunge pe suprafaţă într-o poziţie în care, legătura din punctul respectiv

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

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

Tehnici de depunere de straturi 53

Analiza acestor mecanisme (prezentate într-o formă simplificată) arată că, în primul rând, se vor umple "găurile" reţelei şi procesul de creştere a cristalului se va face strat cu strat. Acest proces are loc, în cazul în care aportul de atomi din exterior este bine dozat, iar aceşti atomi au energie suficientă pentru a se deplasa la suprafaţa cristalului, pentru a ajunge în puncte în care se pot "agăţa". Îndeplinirea acestor condiţii va depinde de respectarea parametrilor procesului tehnologic.

Fig. 5.1 Mecanismele elementare ale creşterii epitaxiale

Procesele directe de creştere epitaxială se caracterizează prin transportul de atomi de la sursă la suportul de cristalizare fără a mai trece prin reacţii chimice intermediare. Din această grupă fac parte creşterile epitaxiale prin evaporare termică, pulverizare catodică şi sublimare. Prin aceste procedee atomii semiconductorului vin la suprafaţa suportului monocristalin unde în anumite condiţii se pot reuni şi forma germeni bidimensionali stabili. Probabilitatea Rn de formare a germenilor bidimensionali este dată de relaţia:

∆−=

kTW

NR gn exp (5.1)

unde s-au folosit notaţiile:

N - concentraţia atomilor de semiconductor în fază gazoasă;

∆Wg - energia liberă de formare a germenilor stabili; T - temperatura substratului.

Dacă Rn este mare, atunci la suprafaţa substratului se formează mulţi germeni bidimensionali, formându-se un strat epitaxial cu o structură cristalină bună. Probabilitatea de formare a germenilor este cu atât mai mare cu cât concentraţia atomilor de semiconductor în fază gazoasă N şi temperatura T a substratului este mai mare. Creşterea epitaxială indirectă se caracterizează printr-un transport de compuşi chimici care disociază pe substratul de material semiconductor ce constituie suportul. Analiza creşterii epitaxiale indirecte se face în mai multe etape.

- transportul compuşilor la suprafaţa substratului;


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

La realizarea straturilor epitaxiale, care să corespundă parametrilor de utilizare a dispozitivelor semiconductoare, este necesar ca structura suportului şi cea a stratului crescut să fie cât mai apropiate. Se impune ca la cele două structuri constantele de reţea să nu difere cu mai mult de 1%.

5.1.2. Modelul epitaxiei

La creşterea straturilor epitaxiale obţinute prin evaporarea şi condensarea în vid

se analizează cele trei etape: evaporarea, transportul substanţei evaporate până la substrat şi condensarea.

a) Evaporarea Materialul stratului care urmează a se depune este încălzit într-un vaporizator

care se află într-o incintă vidată. Atomii sau moleculele, care au energie cinetică suficientă, înving energia de legătură şi părăsesc suprafaţa fazei lichide sau solide (în cazul sublimării). Viteza de evaporare ve, care reprezintă numărul de molecule ce se evaporă în unitatea de timp, se poate scrie în funcţie de concentraţia moleculelor gazului n şi viteza medie v :

vnve 41

= . (5.2)

Concentraţia moleculelor gazului n şi viteza medie v se exprimă în funcţie de presiune şi temperatură cu relaţiile din fizica moleculară (legea gazelor perfecte): nkTp = (5.3) şi

mkTvπ8

= (5.4)

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

21)2( mkTpve π

= (5.5)

În cazul în care vaporizarea are loc în sistem închis, se stabileşte un echilibru între vaporizare şi condensare la care corespunde o presiune p de echilibru a vaporilor.


Valoarea presiunii se poate exprima în funcţie de cantitatea de căldură Qm necesară evaporării unui mol de substanţă [3]:

−=RTQ

Ap mexp (5.6)

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

−=RTQ

mkTAv m

e exp)2( 21π

(5.7)

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

eA

eem vNMvmv =⋅= (5.8)

unde: M este masa molară, iar NA numărul lui Avogadro . molmoleculeN A /10023,6 23⋅= De obicei, se consideră că evaporarea are loc la o temperatură pentru care se obţine o presiune a vaporilor . Prin înlocuire în relaţia (5.8) şi după introducerea constantelor, rezultă:

mmHgp 210−=

2

13108,5

⋅= −

TMvem (5.9)

unde M este în kmoli, iar T în K. b) Transportul între evaporator şi condensor Moleculele care se evaporă părăsesc suprafaţa evaporatorului cu viteza medie dată de relaţia (5.5). Drumul liber mijlociu λ se poate exprima ca raportul între viteza medie v şi numărul mediu de ciocniri Z ( vnZ m

22 σπ⋅= ) cu celelalte molecule:

p

kTnZ

v

mm22 22

1σπσπ

λ⋅

=⋅

== (5.10)

unde, mărimile introduse au următoarea semnificaţie: p – presiunea gazului, σm - diametrul efectiv al moleculei. Dacă se introduc date numerice uzuale: σm=3,7 10-10m la aer şi p=10-4 mmHg rezultă: cm47=λ ;


σm=3,7 10-10m la aer şi p=10-6 mmHg rezultă: m47=λ . Valorile drumului liber mijlociu λ obţinut anterior arată că într-o incintă cu vid înaintat (p=10-4÷10-6 mmHg) fascicolul molecular este liniar (mişcarea se face practic fără ciocniri). Pentru aceste fascicole sunt satisfăcute legile lui Knudsen:

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

- numărul de atomi care ajung la suprafaţa substratului în unitatea de timp este invers proporţional cu pătratul distanţei de la sursă la substrat.

De aceste legi se ţine seama la stabilirea formei evaporatorului şi a poziţiei substratului pentru o distribuţie eficientă a materialului de condensare pe suprafaţa suportului.

b) Condensarea Formarea stratului pe suport prin procesul de condensare constituie o fază importantă a creşterii epitaxiale. Atomii ce ajung la suprafaţa suportului vor difuza pe suprafaţă. Pentru ca un atom sau o moleculă să treacă într-o poziţie învecinată trebuie să depăşească o barieră de potenţial Ws, iar pentru a părăsi suprafaţa trebuie să tracă peste o barieră de potenţial We> Ws. Mobilitatea atomilor la suprafaţă depinde de:

- energia de activare a difuziei Ws; - temperatura suportului, - natura suprafeţei; - gradul de curăţenie al suprafeţei.

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

Pentru cele două stări se introduc timpii de viaţă: τ1 – cât atomul stă absorbit pe suprafaţa suportului şi τ2 – timpul cât coexistă complexul bidimensional. La un germene bidimensional se pot alătura şi alţi atomi realizându-se în acest caz un complex care se evaporă mai greu. Prin creşterea dimensiunilor complexului atomic mobilitatea lui la suprafaţă scade şi timpul de viaţă τ2 creşte. Procesele fizice care au loc la suprafaţa substratului se pot scrie compact sub forma:

- condensarea: SG nn ⇔ ; (5.10)

- formarea germenilor: SS nn 22 ⇔ ; (5.11)

- creşterea şi disocierea germenilor: SGSSS nnnnn 232 +↔⇔+ ; SxxSS nnn )1( +⇔+ . (5.12)


unde, indicii G şi S se referă la faza gazoasă, respectiv, la faza solidă de la suprafaţa suportului. Viteza de variaţie a concentraţiei atomilor la suprafaţă se poate scrie:

2

2

1 ττSS

cnn

vdtdn

−−= (5.13)

unde: vc reprezintă viteza de condensare. Neglijând procesele de tip (5.13) se poate scrie: SS nnn 2+= (5.14) Prin introducerea relaţiei (5.14) în (5.13) se obţine:

121

211

τττ

nnv

dtdn

sc −

−+= (5.15)

Considerând că la formarea germenului n2S, la întâlnirea lui nS cu nS, concentraţia creşte proporţional cu rezultă: 2

Sn (5.16) 2

2 SSS nkn = unde kS este un coeficient de proporţionalitate. Dacă se consideră că n , din (5.16) şi (5.14) rezultă: SS n2>> (5.17) 2

2 nkn SS =

Introducând (5.17) în (5.15) se obţine:

2bnanvdtdn

c +−= (5.18)

unde:

1

1τ

=a şi

−=

21

11ττSkb (5.19)

Ecuaţia (5.19) se poate scrie sub forma:

−+

−=

bav

banb

dtdn

c 42

22

(5.20)

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


ct

vdtdn

=

=0

(5.21)

Când ba2

n → , viteza de creştere este dată de:

b

avdtdn

c 4

2

−=

(5.22)

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

b

avc 4

2

> (5.23)

Deoarece vv ≈ depinde de temperatura sursei de evaporare (relaţia 5.23) rezultă că se pot obţine straturi groase pe un suport numai începând cu o anumită temperatură critică a evaporatorului, adică peste o anumită viteză critică de evaporare, dată de:

ec

2

11

2

1

14

14

τττ −

⋅==S

ec kbav (5.24)

Deoarece τ1<τ2, rezultă:

1

2

41

4 τSec kb

av ≈= (5.25)

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

S

ea kT

Uexp1

1−=ντ (5.26)

unde: TS - temperatura suportului condensor, νa - frecvenţa de oscilaţie în jurul poziţiei de echilibru a atomului absorbit. Din (5.25) şi (5.26) se obţine:

−=

S

e

S

aec kT

Uk

v exp4ν (5.27)

din compararea relaţiilor (5.26) şi (5.27) rezultă că formarea stratului începe numai după ce este stabilit un anumit raport între temperatura evaporatorului şi cea a suportului de condensare.


5.1.3. Tehnologia depunerii straturilor epitaxiale

Există în principal trei tipuri de procedee : - epitaxia prin jet molecular - MBE (Molecular Beam Epitaxy), - epitaxia în fază lichidă - LPE (Liquid Phase Epitaxy), - epitaxia în fază de vapori - VPE (Vapor Phase Epitaxy).

a) Epitaxia prin jet molecular (MBE)

Aceasta tehnică constă în aducerea şi proiectarea moleculelor pe suprafaţa substratului. Procesul are loc în vid înaintat (10-10 Torr), pentru a preveni orice ciocnire sau contaminare pe parcurs. Atomii care se depun se obţin în urma evaporării în vid. Sursele de vapori pot fi de mai multe feluri diferite dopaje. Prin reglajul temperaturii celulelor de vaporizare se creează un jet de molecule în direcţia substratului. Prin acest procedeu se pot realiza, strat cu strat, structuri foarte complexe cum ar fi super - reţele, diode laser, tranzistoare speciale. În instalaţia de epitaxie (fig. 5.2) se obţine o creştere epitaxială cu mare precizie, putându-se realiza joncţiuni foarte abrupte. În timpul creşterii epitaxiale poate fi verificată continuu calitatea reţelei cristaline în formare.

Procesul este însă foarte lent şi nu poate fi aplicat decât unui singur substrat de fiecare dată. Viteza de creştere este de ordinul a 1 nm/minut. Deoarece procedeul MBE este foarte costisitor, acesta nu se aplică decât pentru realizarea de dispozitive electronice speciale şi cu valoare adăugată mare [7].

Încălzire

Substrat Ecran

Surse de vapori

Tun de ioni

Tun de electroni

Fig. 5.2 Instalaţia de epitaxie prin jet molecular

b) Epitaxia în faza lichidă (LPE) Această tehnică constă în creşterea cristalului prin punerea sa în contact cu o

sursă lichidă de atomi. Principiul este asemănător cu cel al tragerii lingourilor de siliciu prin metoda Czochralski. În acest caz, este necesar controlul schimburilor de caldură din timpul procesului, pentru a evita lichefierea cristalului de bază. Metoda prezintă avantajul de a fi foarte rapidă, viteza de crestere putând ajunge la ordinul unui micron pe minut, dar nu are precizia metodei MBE. Principiul epitaxiei cu mai multe

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




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

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

Fig. 5.3 Principiul epitaxiei în faza lichidă cu mai multe soluţii

Soluţii lichide

Grafit

Glisiera de grafit

Substrat

c) Epitaxia în fază de vapori (VPE)

Acest procedeu constă în creşterea cristalului semiconductor prin aportul atomilor conţinuţi într-un gaz (fig. 5.4). În reactor gazul se disociază, furnizând atomi (de siliciu, spre exemplu), care se depun pe suprafaţa plachetelor. Plachetele sunt încălzite, pentru a asigura condiţii bune de creştere. În funcţie de temperatură, reacţiile ce se produc pot fi foarte diferite. În cursul procesului se impune un control al echilibrului chimic, care se obţine prin injecţia de gaz rezultat din descompunerea sursei de atomi. Gazele injectate conţin: triclorsilan, acid clorhidric şi hidrogen.

Procedee de epitaxie a siliciului, în fază de vapori

Fig. 5.4 Instalaţie pentru epitaxie in faza de vapori (VPE)

gaz

încălzire

pompare

plachete

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

folosită, aceasta putând fi : SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2 sau SiH4. c1) pentru sursa SiCl4, reacţia este:






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

Reacţia se efectuează, la aproximativ 1250°C, ceea ce antrenează o redistribuire importantă a dopantilor în timpul epitaxiei.

c2) pentru sursa triclorsilan, SiHCl3, reacţia este:

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

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

c3) la piroliza diclorsilanului, SiH2Cl2, reacţia este:

SiH2Cl2gaz Si solid + 2HCl gaz (5.30)

Aceasta reacţie permite obţinerea unei bune calităţi a cristalului, la o viteză de creştere relativ ridicată. In ansamblu, cele trei metode prezentate mai sus au inconvenientul de a genera acid clorhidric, care poate ataca siliciul în curs de creştere. Pe de altă parte prezintă avantajul ca, prin reglarea presiunii parţiale a acestui produs, se poate controla viteza de creştere.

c4) folosind silanul, SiH4; piroliza silanului este o reacţie ireversibilă: SiH4gaz −> Si solid + 2H2 gaz (5.31)

Reacţia se produce la 1000°C, fără a rezulta compuşi cloraţi. Aceasta tehnică

permite realizarea de joncţiuni abrupte, întrucât temperatura de lucru nu este foarte ridicată, deci difuzia dopanţilor în timpul creşterii epitaxiale este mult diminuată. Pe de altă parte, silanul este un produs scump şi periculos (se aprinde instantaneu în contact cu aerul), iar viteza de creştere realizată este relativ mică.

În toate variantele reacţia de depunere se desfăşoară în condiţii bune, dacă temperatura se menţine în limitele indicate şi compoziţia combinaţiei de gaze este adecvată. O viteză bună de creştere a monocristalelor de siliciu (1µm/min - 5µm/min) s-a obţinut pentru temperaturi cuprinse între 930οC şi 1400οC. Creşterea cu viteze mai mari duce la depunerea de pelicule din ce în ce mai imperfecte şi, în cele din urmă la depuneri policristaline.

5.1.4. Analiza straturilor epitaxiale

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

foarte sensibile permite stabilirea valorii grosimii stratului epitaxial conform relaţiei:

eS

mxρ⋅

∆=∆ (5.32)


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

01 fmmf

fo ⋅⋅

∆=

∆ (5.33)

Prin măsurarea variaţiei relative a frecvenţei (5.33) se determină masa şi în funcţie

de aceasta grosimea stratului depus.

b) Analiza calităţii Calitatea straturilor epitaxiale se evaluează pe baza următorilor parametrii:

- defecte de structură. - distribuţia concentraţiei de impurităţi; - rezistivitate; - grosime.

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

b2) Determinarea conţinutului de impurităţi Determinarea profilului de impurităţi se face prin măsurarea rezistivităţii în

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

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

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

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

Fig. 5.5 Distribuţia impurităţilor în procesul creşterii epitaxiale Ne

Substrat

N1(x,t)

Strat epitaxial

Nsub

x=0 x=xe x

N

N2(x,t)

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


modificarea concentraţiei stratului epitaxial N2(x,t) pe grosimea acestuia x=xe, urmată de o descreştere foarte puternică în interiorul substratului. 5.2. Oxidarea Prin oxidare se înţelege reacţia chimică între un metal sau un semiconductor cu un agent oxidant (oxigen, ozon, apă, bioxid de carbon, acid azotic, etc.). Procesul de oxidare la siliciu are drept scop obţinerea unui strat de SiO2 caracterizat prin proprietăţi dielectrice şi de ecranare în procesele de impurificare controlată (mascare). S-a observat că stratul de oxid de siliciu (SiO2) se comportă ca o barieră la pătrunderea impurităţilor în substratul de siliciu (Si). Această observaţie a constituit o invenţie deosebit de importantă şi cu numeroase aplicaţii în construcţia structurilor semiconductoare (dispozitive semiconductoare şi circuite integrate) în tehnologia planară. Un strat de o fracţiune de micron de SiO2, uşor de depus pe cale termică, împiedică pătrunderea în siliciu a atomilor străini: P, As, Sb, B. Sintetizând rolurile pe care le poate îndeplini stratul de SiO2 se pot menţiona:

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

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

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

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

creşterea gradului de integrare al circuitelor. 5.2.1. Descrierea procesului. Caracteristici Siliciul se oxidează şi la temperatura ambiantă, în atmosferă cu conţinut de oxigen, dar atunci când stratul de oxid atinge adâncimea de 2..3 straturi atomice, fenomenul se blochează. Se spune că stratul astfel format este pasivizat, protejând siliciul împotriva oxidării sale în continuare. Pentru a obţine oxidarea straturilor la grosimea necesară se cere activarea fenomenului prin creşterea temperaturii.

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

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

oxidare în vapori; - oxidarea pe cale electrochimică, numită oxidare anodică; - oxidarea cu ajutorul plasmei de oxigen, numită oxidare în plasmă.

Reacţiile care au loc sunt următoarele:


Si solid + O2 −−−> SiO2 solid (5.34)

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

Pentru a obţine un oxid cu calitate electronică satisfăcătoare se preferă oxidarea termică, fie cu oxigen, fie în prezenţa vaporilor de apă.

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

Fig. 5.6 Creşterea de volum la oxidarea localizată a siliciului

SiO2

Substrat de siliciu

5.2.2. Tehnologia oxidării

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

Incinta

Fig. 5.7 Instalaţia pentru oxidare uscată şi/sau umedă

Rezistenţa de încălzire

Instalaţia de oxidare umedă foloseşte ca sursă de vapori apa deionizată care este supraîncălzită (102οC) pentru a avea un flux continuu de vapori. Vaporii obţinuţi sunt


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

Apă deionizată

Încălzitor

Cameră de reacţie

Fig. 5.8 Schema instalaţiei de oxidare a Si cu vapori de apă

Grosimea stratului de oxid este în funcţie de temperatură şi de timpul de menţinere. Parametrii procesului se indică în documentaţiile de specialitate tabelar sau sub formă de diagrame. 5.2.3. Modelul oxidării Modelul fenomenologic al oxidării cuprinde trei etape:

- transportul agentului oxidant din gaz la interfaţa oxid-gaz; - difuzia agentului oxidant prin stratul de oxid deja format; - reacţia chimică de formare a oxidului la interfaţa oxid - siliciu.

Celor trei etape ale oxidării, conform legii conservării maselor, le corespund trei fluxuri, care în condiţii staţionare, trebuie să fie egale: Φ1= Φ2=Φ3. Fluxul de oxigen Φ1 la inerfaţa gaz-oxid (fig. 5.9) se poate scrie: )(1 SGG CCh −=Φ (5.36) unde, mărimile din (5.36) au următoarea semnificaţie: hG - coeficientul transferului de masă; CG- concentraţia de oxidant din volumul gazului; CS- concentraţia de oxidant din apropierea oxidului.

Mediu

Si

SiO2

CG

Φ1

C0

Φ2 Φ3

Ci

x

C

C0

x0

Fig. 5.9 Modelul pentru oxidarea termică a siliciului


Concentraţia de impurităţi dintr-un solid, conform legii Henry este proporţională cu presiunea speciei de impurităţi în mediul în care se află solidul. Deci, concentraţia C0 de la suprafaţă este proporţională cu presiunea ps a oxidantului de la suprafaţa stratului de oxid: spHC ⋅=0 (5.37) unde H este constanta lui Henry. Concentraţia unităţilor oxidante C* din stratul de oxid se poate scrie în mod asemănător: (5.38) GpHC ⋅=*

unde pG reprezintă presiunea din interiorul oxidului. Conform legii gazelor perfecte se poate scrie:

HkTC

kTp

CHkTC

kTp S

SG

G0

*

; ====C . (5.39)

Prin înlocuirea concentraţiilor CG şi CS din relaţia (5.39) în (5.36) rezultă:

)()( 0*

0*

1 CChCCHkThG −=−=Φ (5.40)

unde HkTh

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

concentraţia din solid. Fluxul din stratul de oxid, conform legii lui Fick, dacă se consideră o variaţie liniară pe grosimea x0, este:

0

0

0

02 x

CCD

xCC

D ii −⋅=

−⋅−=Φ (5.41)

unde: D este coeficientul de difuzie al oxidantului în stratul de oxid, Ci este concentraţia de oxidant la interfaţa oxid-siliciu; x0 este grosimea stratului de oxid. Pentru zona de interfaţă oxid-siliciu se poate scrie că viteza reacţiei de oxidare este proporţională cu concentraţia de oxidant la această interfaţă: iS Ck=Φ 3 (5.41) kS – constantă. Dacă se introduce condiţia de regim staţionar Φ1= Φ2= Φ3, rezultă expresiile concentraţiilor:


iS

SSi C

Dxk

C

Dxk

hk

CC ⋅+=++

= )1(;1

00

0

*

(5.42)

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

- , (D <<k0→D Sx0) situaţie cunoscută ca oxidare controlată prin difuzie; se caracterizează prin creştere parabolică a stratului de oxid.

- , (D >>k∞→D Sx0) situaţie cunoscută ca oxidare controlată prin reacţie; se caracterizează prin creştere liniară a stratului de oxid.

Viteza de oxidare dt

dx0 este direct proporţională cu fluxul unităţilor de oxidare şi

invers proporţional cu numărul N1 al unităţilor oxidante pentru a forma o unitate de volum de oxid:

⋅==1

*

1

30

NCk

NF

dtdx S

Dxk

hk SS 01

1

++ (5.43)

Din rezolvarea ecuaţiei (5.43) cu condiţia iniţială it

xx =→ 00

lim , unde xi corespunde

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

5.2. Întrebări recapitulative 1. Care sunt tehnicile de depunere folosite în producţia dispozitivelor

semiconductoare? 2. Ce se înţelege prin epitaxie şi prin ce se caracterizează? 3. Care sunt principalele etape ale epitaxiei? 4. În ce constă epitaxia prin jet molecular? 5. În ce constă epitaxia în fază lichidă? 6. În ce constă epitaxia în faă gazoasă? 7. Cum se determină grosimea stratului epitaxial depus? 8. Ce se înţelege prin oxidare şi care sunt utilizările straturilor de SiO2 ? 9. Care sunt reacţiile care au loc în procesul oxidării? 10. Care sunt instalaţiile care se folosesc pentru oxidarea siliciului?


An

exa 5.1 Instalaţii folosite pentru tehnologia depunerilor

c)

b)

a)

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

5.1. epitaxia

Documents