микроэлектроника - Электронная библиотека БГУ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра физической электроники
А. А. Лабуда, Н. Н. Никифоренко
ФИЗИЧЕСКАЯ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Для студентов специальности Н.02.03.00
«Физическая электроника»
МИНСК
БГУ
2001
УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)
ББК 32.844.1я73 + 22.333я73
Л12
Рецензенты:
доктор физико-математических наук В. М. Анищик
кандидат физико-математических наук А. П. Бурмаков
Научный редактор
член-корреспондент НАН Беларуси,
доктор физико-математических наук Ф. Ф. Комаров
Лабуда А. А.
Л12
Физическая микроэлектроника:
Учеб. пособие /
А. А. Лабуда, Н. Н. Никифоренко – Мн.: БГУ, 2001. – 132 с.: ил.,
табл.
Учебное пособие по курсу лекций, читаемых студентам специальности
Н.02.03.00 «Физическая электроника». В нем изложены физические закономерности, лежащие в основе функционирования элементов интегральных
схем, физические основы планарной технологии микроэлектроники, а также
способы оперативного спектрального контроля и управления вакуумноплазменными технологическими процессами нанесения и травления тонких
пленок.
УДК 621.38(075.8) + 533.9(075.8)
ББК 32.844.1я73 + 22.333я73
 БГУ, 2001
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1. Краткая история зарождения и развития электроники
и микроэлектроники
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2. Концептуальные диаграммы электроники, микроэлектроники
и физической микроэлектроники
. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1. Концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники
2.2. Концептуальная диаграмма микроэлектроники . . . . . . .
2.3. Концептуальная диаграмма физической микроэлектроники .
2.4. Концептуальная диаграмма физических основ технологии
микроэлектроники
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 10
. . . 11
. . . 12
. . . 13
3. Физические явления и процессы, лежащие в основе
работы изделий микроэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1. Материалы микроэлектроники; связь между свойствами
материалов и параметрами интегральных схем . . . . . .
3.2. Полупроводниковые материалы
. . . . . . . . . .
3.3. Диэлектрические материалы . . . . . . . . . . . .
3.4. Металлы в микроэлектронике
. . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
14
14
18
20
4. Структурные и энергетические модели материалов
микроэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1. Модель ковалентной связи . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Модель энергетических зон . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Математическая модель энергетических зон
(модель Кронига-Пенни) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Модель энергетических зон для примесных полупроводников
. . . 22
. . . 24
. . . 27
. . . 30
5. Статистика носителей зарядов в полупроводниковых
материалах микроэлектроники
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.1. Статистика Ферми – Дирака . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2. Концентрация носителей зарядов в полупроводнике . . . . . . . 34
5.3. Вырожденные полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6. Кинетические явления в полупроводниковых микроструктурах
. . 40
6.1. Эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2. Генерация и рекомбинация носителей зарядов . . . . . . . . . . 42
6.3. Явления переноса в динамически неравновесном состоянии;
уравнение непрерывности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3
7. Контактные явления в микроэлектронных структурах
7.1. Контактная разность потенциалов; работа выхода
.
7.2. Контакт двух металлов . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Контакт металла с полупроводником
. . . . . . .
7.4. Барьер Шотки . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5. Омические контакты . . . . . . . . . . . . . . .
7.6. Контакт двух полупроводников одинакового типа
проводимости (n–n+ и p–p+) . . . . . . . . . . . . . .
7.7. Контакт полупроводника с атмосферой; эффект поля;
поверхностные состояния
. . . . . . . . . . . . . .
. . . .
45
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
45
47
48
51
51
. . . . . .
52
. . . . . .
53
. . . . .
59
.
.
.
.
.
8. Активные и пассивные элементы микроэлектроники
.
.
.
.
.
8.1. Физические явления в p–n-переходе; интегральные диоды
8.2. Физический принцип функционирования биполярного
транзистора в интегральном исполнении;
контакт типа n–p–n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3. Физический принцип функционирования полевого
транзистора планарного типа . . . . . . . . . . . . . .
8.4. Пассивные элементы микроэлектроники . . . . . . . .
9. Физические основы технологии микроэлектроники
.
.
.
.
.
. . . .
60
. . . .
64
. . . .
. . . .
66
70
. . . . . .
75
9.1. Классификация технологических процессов . . . . .
9.2. Нанесение тонких пленок для целей микроэлектроники
9.3. Вакуумно-плазменная технология в микроэлектронике
9.4. Модификация поверхности полупроводника;
диффузия и ионная имплантация
. . . . . . . . . . .
10. Физические аспекты контроля в микроэлектронике
.
.
.
.
.
. . . . .
. . . . .
. . . . .
75
77
91
. . . . .
104
. . . . . 109
10.1. Классификация методов контроля
. . . . . . . . . . . . . . 110
10.2. Физические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3. Оперативный контроль в микроэлектронике; определение
момента окончания технологического процесса . . . . . . . . . . . 117
11. Перспективные направления развития микроэлектроники . . . 124
11.1. Избирательная радиационная стимуляция плазменных
технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
11.2. Функциональная микроэлектроника . . . . . . . . . . . . . . 127
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
В основу учебного пособия положен лекционный курс, читаемый для студентов, обучающихся по специальности Н.02.03.00
«Физическая электроника» в Белорусском государственном университете. В нем кратко изложены основные аспекты современной
микроэлектроники с позиции физических закономерностей, лежащих в основе технологии производства и функционирования
элементов интегральных схем. Поэтому эта книга не является
учебником по микроэлектронике в традиционном понимании
[1, 2], или узкопрофильным учебным пособием, в котором рассматриваются технологические или схемотехнические вопросы
производства изделий микроэлектроники [3 – 7]. В ней мы попытались обратить внимание читателя на задачи и проблемы современной микроэлектроники с позиции физики. Следует отметить,
что такой подход к изложению материала частично используется в
ряде книг и учебных пособий [8 – 11] и является весьма эффективным, позволяющим обобщенно оценить роль фундаментальных исследований и открытий в этой области и видеть перспективу ее развития. С этих позиций во введении изложена история
развития электроники, а в заключении проанализированы физические ограничения миниатюризации и предположительно указаны
пути дальнейшего развития микроэлектроники.
Для наглядности структуры содержания и последовательности изложения материала использованы концептуальные диаграммы, идея которых предложена в работе [9].
Изложение фактического материала начинается с сопоставления основных характеристик различных полупроводниковых материалов с соответствующими параметрами интегральных схем,
что позволяет оптимальным образом сочетать их при создании
приборов с заданными параметрами. Подчеркивается перспективность использования алмаза в качестве широкозонного полупроводника.
Для целостности содержания кратко изложены статические и
кинетические закономерности распределения и переноса зарядов
в полупроводниковых структурах, физические и математические
модели зонной энергетической структуры. Более подробно рас5
смотрены контактные явления, лежащие в основе функционирования активных и пассивных элементов интегральных схем.
При рассмотрении физических основ технологии в микроэлектронике использован физический принцип классификации отдельных операций [1], согласно которому все множество технологических способов обработки поверхности можно разбить на три
группы: нанесение тонких слоев, удаление тонких слоев и модификация проводимости приповерхностного слоя путем диффузии
и ионной имплантации. То же можно сказать и о классификации
различных способов вакуумно-плазменного травления, соотнося
их к одной из двух групп: физическое распыление и плазмохимическое травление.
С позиции физики изложены возможные методы контроля и
оперативного управления технологическими процессами и более
подробно – широко используемый метод спектрального контроля.
В заключительной части рассмотрены перспективные направления совершенствования технологических процессов, как например, радиационное стимулирование и пути развития микроэлектроники в целом.
Изложенный в пособии материал может быть полезным специалистам, работающим в области микроэлектроники, желающим
более углубленно изучить отдельные аспекты этой области.
А. А. Лабуда,
Н. Н. Никифоренко
6
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Современную микроэлектронику можно рассматривать как область науки и техники, в которой на базе интеграции схемотехнических, конструкторских и технологических решений создаются высоконадежные микроминиатюрные электронные схемы и устройства,
основными элементами которых являются интегральные микросхемы
(ИМС). Дальнейший прогресс в этой стремительно развивающейся
области во многом зависит от глубины понимания физических процессов, лежащих в основе функционирования изделий микроэлектроники. Рассмотрение этих вопросов следует отнести к компетенции
физической микроэлектроники, которую можно трактовать как область науки, изучающую физические принципы создания и функционирования интегральных микроэлектронных структур.
Таким образом, содержанием данного учебного пособия являются вопросы, связанные с электронной структурой материалов микроэлектроники, их физическими и математическими моделями структур,
статистикой распределения и переноса электрических зарядов в реальных полупроводниковых структурах интегральных схем с присущими им естественными и искусственными неоднородностями и с
процессами в контактах. Рассматриваются также особенности активных и пассивных элементов в интегральном исполнении, физикохимические аспекты технологии изготовления ИС, критически оценивается состояние и перспективы дальнейшего развития микроэлектроники с учетом физических ограничений и новых возможностей.
Физическая микроэлектроника не является составной частью
микроэлектроник, а лишь взглядом на нее с позиции физики. Аналогично можно говорить об инженерной, схемотехнической и других
сторонах микроэлектроники.
Теоретической базой зарождения и развития физической
микроэлектроники, как и электроники в целом, были фундаментальные открытия Х1Х столетия, касающиеся изучения электронных свойств и переноса зарядов в твердых телах. Так, еще в
1833 г. Фарадей обнаружил отрицательную температурную зависимость электросопротивления у сульфида серебра. Последовавшие затем глобальные открытия, такие, как закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем в 1832 г. и теорети7
чески обоснованный Максвеллом в 1864 г. (уравнения Максвелла); открытие термоэлектронной эмиссии Эдисоном в 1864 г. и
электрона Томсоном в 1894 г.; создание вакуумного диода Флемингом в 1905 г. и триода Ли-де-Форестом в 1906 г. и, наконец,
создание в 1948 г. полупроводникового биполярного транзистора
Шокли, Бардиным и Брейтоном, получившими за это открытие в
1956 г. Нобелевскую премию, обусловили зарождение и доминирование сначала электровакуумной электроники (1900 – 1950 гг.),
а затем с 1948 г. полупроводниковой электроники на дискретных элементах.
Переход от дискретной полупроводниковой электроники к интегральной микроэлектроники был менее продолжительным и длился
всего 10 лет с 1948 по 1958 г. Основным стимулом появления в
1958 г. первых прототипов микроэлектронных изделий был нарастающий кризис в дискретной электронике, известный в литературе как
«проблема межсоединений».
Увеличение объема обрабатываемой информации повлекло за
собой увеличение числа элементов схемы, а следовательно и габаритов электронной аппаратуры, что неизбежно привело к снижению
надежности ее функционирования, а заодно и быстродействия. Попытка первого этапа миниатюризации путем уменьшения габаритов
дискретных элементов, применение печатного монтажа и некоторые
другие приемы проблемы не решили. Огромное количество контактов
и ручной способ их осуществления создали непреодолимую проблему
на пути дальнейшего развития.
Преодоление этих трудностей виделось в дальнейшем уменьшении линейных размеров элементов и, что главное, переходе на новую
технологию их изготовления. Выход был найден в создании так называемой планарной технологии при групповом способе изготовления
как отдельных элементов, так и соединений их между собой в готовую интегральную микросхему. Так, в тонком приповерхностном слое
(несколько микрон) полупроводникового кристалла (Ge, Si, GaAs) с
использованием таких технологических операций, как эпитаксия, фотолитография, диффузия, нанесение и размерное травление тонких
полупроводниковых, проводящих и диэлектрических слоев при высокой степени автоматизации, одновременно изготовляется сотни и тысячи активных и пассивных элементов и соединений между ними, что
8
в итоге представляет собой множество однотипных интегральных
микросхем.
Совершенствование технологии изготовления интегральных
схем продолжается непрерывно, и только углубленное представление о протекающих в них физических процессах обеспечит, на
наш взгляд, успешное продвижение в этом направлении. В этом
состоит основная задача физической микроэлектроники.
Следует однако отметить, что полупроводниковая микроэлектроника с характерным для нее постоянным возрастанием степени
интеграции и неизбежной в связи с этим дальнейшей миниатюризации, уже в настоящее время встречает ряд принципиальных
ограничений на пути своего развития. Так, например, предельно
минимальное значение мощности, способное обеспечить функционирование полупроводникового прибора при 300 оС 1 мкВт, и
предельное значение показателя качества 10 –14 Дж [1], ограничивают плотность упаковки элементов и быстродействие схемы.
Связано это с тем, что в микроэлектронике, как и в дискретной
электронике, сохраняется один и тот же принцип функционирования активных элементов: использование статических неоднородностей в твердых телах. В этом отношении дискретный полупроводниковый диод и биполярный транзистор ничем, кроме размеров, не отличаются от таковых в интегральном исполнении, то
есть в микросхеме.
Выход видится в переходе на изделия, принцип функционирования которых основан на использовании так называемых динамических неоднородностей, где линейные размеры в данном
случае не имеют принципиального значения. Таким образом, нынешняя полупроводниковая микроэлектроника сможет совершенствоваться и развиваться по пути функциональной микроэлектроники. Приборы, работающие на динамических неоднородностях,
разрабатываются уже сейчас. Это системы памяти на приборах зарядовой связи (ПЗС), линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и другие. Изучение физических принципов
функционирования таких электронных систем также является одной из задач физической микроэлектроники.
9
2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
И ФИЗИЧЕСКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Четкое представление о содержании отдельных разновидностей
современной электроники и микроэлектроники дают концептуальные
диаграммы [9], представляющие собой блочную взаимосвязанную
структуру проблем, решаемых в данной области. Сравнение этих диаграмм позволяет наглядно представить различие в подходах к изучению по сути одной и той же задачи создания и совершенствования
электронных устройств. Ниже представлены концептуальные диаграммы производства изделий полупроводниковой электроники и
микроэлектроники, а также физической микроэлектроники, в том
числе и физических основ технологии микроэлектроники. Приведенные диаграммы не требуют специальных пояснений и могут рассматриваться как графическое представление (алгоритм) содержания соответствующих дисциплин, позволяющие наглядно сопоставлять
сходство и различия между ними.
2.1. Концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Производство
дискретных
пассивных
и активных
элементов
Производство
соединительных
элементов
(провода, печатные
платы)
Монтаж электронных схем
Испытание готовых изделий
10
Схемотехника
(разработка
принципиальных
схем)
2.2. Концептуальная диаграмма микроэлектроники
М И К РО ЭЛ ЕК ТРО Н И К А
М ат ер иал ы :
вы ращ ивание
м о но кр ист ал л о в
полупроводников,
и зго т о в л ен и е
полупроводниковы х
пл аст ин
П р о ект ир о вание:
ко м пью т ер но е
пр о ектир о вание
инт егр ал ьны х схем
с и сп о л ь зо в а н и ем
пакет а т ипо вы х
програм м
П л а н а р н а я т ехн о л о ги я и зг о т о в л ен и я
к р и ст а л л о в (ч и п о в ) г р у п п о в ы м
м ето д о м .
Б а зо в ы е т ехп р о ц ессы :
 эп и т а кси я
 л и т о гр а ф и я
 д и ф ф узи я
 л еги р о ва н и е
 м ет а л л и за ц и я
П о сл ео пер ацио нны й ко нт р о л ь и испы т ания
К о р п у си р о в а н и е (р а зв о д к а к о н т а к т о в ,
гер м ет и за ц и я , м а р ки р о в ка )
И сп ы т а н и я го т о в ы х и зд ел и й
11
2.3. Концептуальная диаграмма физической микроэлектроники
Ф И ЗИ Ч ЕСК А Я М И К РО Э Л ЕК ТРО Н И К А
М атер иал ы м икр о эл ектр о ники: по л упр о во д ники, д иэл ектр ики, м етал л ы .
С в я зь м еж д у св о й ст в а м и м а т ер и а л о в и п а р а м ет р а м и И С
С татистика
р аспр ед ел ения
и кинетика пер ено са
за р я д о в . Г ен ер а ц и я
и р еко м б инация
Ф и зи ч ески е
и м атем атич еские
м о д ел и стр уктур
м атер иал о в
м икр о эл ектр о ники
Зонная
энер гетич еская
стр уктур а
полупроводников,
д иэл ектр ико в
и м етал л о в
К о нтактны е явл ения
Ф и зи ч ески е п р и н ц и п ы
ф ункционирования активны х
и пассивны х эл ем енто в
м икр о эл ектр о ники
А ктивны е
эл ем енты
К о м б инир о ванны е эл ем енты
Ф и зи ч ески е о сн о в ы т ехн о л о ги и
Ф и зи ч ески е о гр а н и ч ен и я
м и н и а т ю р и за ц и и в м и кр о эл ект р о н и ке
и п ер сп ект и в ы р а зв и т и я
12
П ассивны е
эл ем енты
2.4. Концептуальная диаграмма физических основ
технологии микроэлектроники
Ф И ЗИ Ч ЕСК И Е ОСН ОВЫ
ТЕХ Н О Л О ГИ И М И К РО Э Л ЕК ТРО Н И К И
Н анесение т о нких
сл о ев
(эп и т а к си а л ь н о е,
в а к у у м н о -п л а зм ен н о е,
т ер м ич еско е,
пир о л ит ич еско е)
М одиф икация
по вер хно ст и
(д и ф ф у зи я , и о н н о е
л егир о вание)
У д ал ение т о нких
сл о ев
(о ч и ст к а , ж и д к о хим ич еско е и
п л а зм ен н о е р а зм ер н о е
т р авл ение)
К онтроль
(в х о д н о й , о п ер а т и в н ы й ,
по сл ео пер ацио нны й)
Анализируя приведенные концептуальные диаграммы, следует
подчеркнуть, что все они отражают одну из сторон соответствующей
области электроники. Так, например, концептуальная диаграмма полупроводниковой электроники по существу представляет собой алгоритм промышленной полупроводниковой электроники на дискретных
элементах.
Отличительной чертой концептуальной диаграммы физической
микроэлектроники является то, что она акцентирует внимание на тех
физических закономерностях, которые лежат в основе функционирования изделий микроэлектроники, без понимания которых немыслим
прогресс в этой области.
Аналогично можно построить концептуальные диаграммы и для
других разновидностей электроники: оптоэлектроники, акустоэлектроники и функциональной электроники в целом.
13
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ,
ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
3.1. Материалы микроэлектроники;
связь между свойствами материалов
и параметрами интегральных схем
Основными факторами, определяющими прогресс в развитии
микроэлектроники, являются: качество исходных материалов,
уровень технологии производства и квалификация специалистов.
Все три перечисленные фактора находятся в тесной взаимосвязи
между собой, и ни один из них не может быть доминирующим без
учета остальных.
Рассмотрим первый из них: материалы микроэлектроники.
Для изготовления активных и пассивных элементов интегральных
схем используется широкая гамма материалов: полупроводников,
диэлектриков и металлов, насчитывающая десятки наименований.
Среди них простые и сложные полупроводники в виде монокристаллических пластин, а также в аморфном и поликристаллическом состоянии с заданной степенью легирования; диэлектрические соединения, металлы и их сплавы, светочувствительные фоторезисты, жидкие и газообразные среды и др. Между полупроводниками, металлами и диэлектриками не существует резких
границ по электропроводности. Величина перекрытия по этому
параметру зависит от степени легирования полупроводника.
По механизму электропроводности нет принципиальной разницы
между полупроводниками и диэлектриками.
От металлов полупроводники отличаются противоположной зависимостью электропроводности от температуры: для полупроводников она увеличивается с ростом температуры, а для металлов уменьшается.
3.2. Полупроводниковые материалы
С позиции физической природы электропроводности у полупроводников существует два отличительных фактора:
14
1) подвижные носители заряда в полупроводниках при любой отличной от нуля температуре существуют в двух видах, различных по знаку заряда – электроны (n) и дырки (p);
2) возможность изменения величины и вида проводимости полупроводников путем введения в них примесных атомов является
наиболее характерным свойством этих материалов, лежащих в
основе работы любых микроэлектронных устройств.
Полупроводники являются базисным, т. е. основным материалом
современной микроэлектроники. Основные элементы полупроводников расположены в III – V группах таблицы Менделеева (табл. 3.1).
Таблица 3.1
III
IV
V
B
Al
Ga
In
C
Si
Ge
Sn
N
P
As
Sb
Исторически первым широко используемым полупроводниковым
материалом был германий. Его существование было предсказано
Менделеевым и названо экасилицием. Открыт германий был Винклером в 1886 г. На базе германия был создан ряд дискретных приборов,
включая диоды, точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре
германий был вытеснен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность образования на его поверхности тонкого,
прочного и влагостойкого слоя двуокиси кремния (SiO2), используемой в качестве защитного покрытия в процессе локальной диффузии,
подзатворного диэлектрика и изоляции схемных элементов ИС.
Кремний был открыт Берцелиусом в 1824 г. и является одним из самых распространенных элементов в природе (25 %). Распространенность германия гораздо меньшая, всего 2,104 %, и в природе он
встречается в виде GeO2.
Кремний обладает рядом преимуществ по сравнению с германием. Он имеет большую ширину запрещенной зоны (1,12 эВ
против 0,7 эВ у Ge), что повышает рабочую температуру изделий
до 14О оС. У кремниевых р–n-переходов меньшие обратные токи,
15
что уменьшает паразитную связь между элементами и позволяет
создавать ИС с меньшим уровнем рабочих токов (меньше 1 мкА).
Кремниевые МОП транзисторы имеют более высокое пороговое
напряжение, что обеспечивает большую помехоустойчивость логических схем. Кремний обладает меньшей диэлектрической проницаемостью (12),что снижает барьерную емкость переходов и
увеличивает быстродействие ИС. Наконец, кремний как полупроводниковый материал более технологичен, в частности, при создании диэлектрических пленок SiO 2 и Si 3N4 с хорошей адгезией к
кремниевым пластинам. Эти диэлектрические слои используются,
как отмечалось выше, в качестве подзатворного диэлектрика, маски при локальной диффузии, при защите и планаризации поверхности, в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов. Перечисленные выше преимущества обеспечивают кремнию в настоящее время лидирующее положение в современной микроэлектронике.
Наряду с простыми полупроводниками (Ge и Si), широко используются сложные, типа A IIIBV (GaAs) и др. Арсенид галлия
находит применение при создании быстродействующих ИС, а
также туннельных диодов, фотодиодов, генераторов Ганна, полупроводниковых лазеров. Однако технология изготовления ИС на
базе GaAs более сложна. Не следует также забывать о токсичности мышьяка, образующего в соединении с водородом сильное
отравляющее вещество арсин (AsH 3).
Потенциально в качестве самого перспективного полупроводникового материала следует считать алмаз. Его большая ширина запрещенной зоны (5,5 эВ), фантастическая теплопроводность (на порядок
выше, чем у кремния), прозрачность в видимой и ИК области, инертность к внешним воздействиям делает его наиболее перспективным
полупроводниковым материалом. Однако высокая стоимость природных алмазов, сложность технологии получения искусственных алмазов для целей микроэлектроники вынуждают считать алмаз полупроводниковым материалом будущего.
Для оптимального выбора полупроводникового материала при
изготовлении ИС необходимо сопоставить его основные свойства с
параметрами ИС, изготовленной на его основе. Такое сопоставление
представлено в табл. 3.2, где перечислены основные характеристики
16
полупроводниковых материалов и параметры современных ИС, изготовленных на их основе.
Таблица 3.2
Сравнительные характеристики полупроводниковых материалов
и параметров интегральных схем
Характеристики
материалов
Ge
Подвижность носителей
зарядов , см2.В–1.с–1
3800
n
1820
p
Эффективная масса
(m/mo)
mn/mo
0,12
mp/mo
0,28
Si
GaAs
Алмаз
Параметры ИС
Быстродействие (время
переключения)
1500
600
8500
435
0,26
0,49
0,43
0,68
2200
1600
–
–
Теплопроводность ,
Вт.см–1.К–1
0,65
1,5
0,46
20

2090
2250
3910
44000
Быстродействие (время
переключения)
Рассеиваемая
мощность
Параметр
быстродействия
Ширина запрещенной
0,66 эВ 1,12 эВ 1,43 эВ 5,45 эВ
зоны Е, эВ
100 оС 140 оС
–
600 оС Максимальная рабочая
температура, оС
Температура плавления
Температура
о
Тпл, С
937
1420 1238 4000
термообработки
Пробивное напряжение,
Электрическая
В/мкм
0,8
3
3,5
100
прочность
Диэлектрическая
Паразитные связи
–
11,8
12,5
5,5
между элементами
проницаемость 
Удельное сопротивление, Ом.см
–
Коэффициент линейного расширения, х10–6,
К–1
–
Коэффициент
преломления
Микротвердость, МН/м 2 5400
Плотность, г/см3
5,3
Токи утечки
103
108
1016
2,6
5,9
1,1
3,5
608
3,4
–
2,42
78500
2,3
–
3,5
17
Прочность
межслойных
структур
Оптические свойства
Механическая
прочность
Таким образом, приведенные в табл. 3.2 сравнительные данные
наглядно демонстрируют преимущества кремния по сравнению с германием, арсенида галлия по сравнению с кремнием и особую перспективность алмаза как полупроводника. Таблица позволяет также
выбирать оптимальный полупроводниковый материал при создании
ИС определенного назначения.
3.3. Диэлектрические материалы
В планарной технологии микроэлектроники, кроме полупроводниковых материалов, широко используются диэлектрики в виде тонких защитных и изолирующих слоев. Это, в первую очередь, диоксид
кремния (SiO2), затем стехиометрический нитрид кремния (Si3N4) и
просто нитрид кремния (SiN), поликристаллический и аморфный
кремний и другие однокомпонентные и многокомпонентные диэлектрические слои.
Требования к диэлектрическим материалам, используемым в
технологии микроэлектроники, определяются их функциональной ролью. Так, подзатворный диэлектрик должен обладать высокой электрической прочностью и малыми зарядовыми состояниями. В интегральных конденсаторах большой емкости изолирующая прослойка
между обкладками должна обладать большим значением диэлектрической постоянной. Защитная маска при локальной диффузии должна
быть непроницаемой для основных диффузантов. Фоторезист должен
быть химически стойким к травителям и т.д. Кроме всего прочего, диэлектрик должен обладать технологичностью нанесения и удаления,
хорошей адгезией к подложке и рядом других свойств.
Одним из важных параметров диэлектрических слоев является
электросопротивление. Применительно к тонкопленочным диэлектрикам можно говорить об удельном поверхностном сопротивлении,
которое понимается как сопротивление квадрата, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через противоположные стороны этого квадрата.
В общем случае при измерении электросопротивления тонких
слоев диэлектриков следует учитывать как поверхностное (Rп), так
18
и объемное (Rо) сопротивление, с учетом которого суммарное сопротивление R будет равно
R = Ro.Rп / (Ro+Rп),
(3.1)
что видно из приведенной эквивалентной схемы (рис. 3.1).
Rп
Ro
Рис. 3.1
Рассмотрим вкратце основные свойства и области использования диэлектрических материалов – окисла (SiO2) и нитрида
(Si3N4) кремния.
Окисел кремния можно получать термическим, пиролитическим
и вакуумно-плазменными методами [3]. Термическое окисление поверхности кремниевых пластин в среде кислорода является наиболее
простым и экономичным способом получения. Попутно отметим, что
чистая поверхность монокристаллического кремния в атмосфере воздуха уже при комнатной температуре самопроизвольно покрывается
тонким слоем SiO2 толщиной в 2 – 5 нм.
Пленки окисла кремния, как отмечалось выше, используются в
качестве подзатворного диэлектрика, маскирующего слоя в процессе
локальной диффузии или ионной имплантации полупроводников,
изолирующей пленки между многоуровневой металлизацией, барьера
от автодиффузии в процессе термообработки, пассивирующего покрытия на поверхности сформированных схем и в ряде других случаев. При легировании бором, фосфором или мышьяком окисел кремния используется в качестве диффузионного источника. После легирования бором и фосфором, окисел кремния, именуемый как боро-,
фосфоро- или борофосфоросиликатное стекло (БСС, ФСС и БФСС
соответственно), применяется для планаризации рельефа поверхности
интегральных схем при многоуровневой металлизации. Диэлектрические, прочностные и другие свойства окисла кремния зависят от способа его получения.
19
Диэлектрические слои нитрида кремния (Si3N4) также получили
широкое применение в микроэлектронике, благодаря освоению низкотемпературной плазменной технологии его получения. По ряду параметров Si3N4 превосходит SiO2.
В микроэлектронике нитрид кремния применяется в качестве
барьера от диффузии примесных щелочных металлов; он почти
непроницаем для влаги и обладает низкой скоростью окисления.
Стехиометрический нитрид кремния (Si3N4) используется как защитная маска при травлении окисла, и в качестве подзатворного
диэлектрика в МОП-структурах совместно с диоксидом кремния.
Плазмохимический нитрид кремния (SiN) используется в качестве
пассивирующего слоя, а также как защитный слой от механических повреждений.
В настоящее время диоксид и нитрид кремния, благодаря технологичности их получения, являются наиболее распространенными диэлектриками в микроэлектронике.
Поликристаллический кремний также находит широкое применение в микроэлектронике. В зависимости от степени легирования он
может быть использован в качестве затвора в МОП-структурах, для
формирования интегральных резисторов, в виде источника диффузии
при создании мелких p–n-переходов, при формировании проводящих
дорожек и для создания ОМ-контактов.
В случае легирования кислородом с последующим температурным отжигом, поликристаллический кремний окисляется и в виде
SiO2 используется как диэлектрик, хотя по параметрам уступает высокотемпературному окислу кремния.
3.4. Металлы в микроэлектронике
Металлы в микроэлектронике используются, главным образом, в
процессе металлизации, т.е. при создании проводящих каналов, соединяющих отдельные элементы в единую интегральную схему, а
также при создании омических контактов, обкладок конденсаторов,
затворов в МОП структурах, в барьерах Шоттки, в фотошаблонах,
внешних выводах, в качестве материала для корпусов интегральных
схем и др.
К металлам, используемым в микроэлектронике, предъявляется
ряд специфических требований, а именно: низкое удельное сопротив20
ление, хорошая адгезия, технологичность (низкая температура плавления, удобство нанесения в виде пленки, возможность сварки с
внешними выводами), экономичность (низкая стоимость), коррозионная стойкость и др.
На протяжении всего периода развития микроэлектроники
наибольшее распространение в микроэлектронике получил алюминий, отвечающий перечисленным выше качествам и, главным образом, благодаря возможности термического распыления.
В последнее время, благодаря широкому внедрению магнетронного распыления материалов, широко используются силициды тугоплавких металлов (W, Mo, Ti, Ta и др.), которые, благодаря низкому
удельному сопротивлению ( ниже 100 мкОм.см) и малому времени задержки при прохождении сигналов, вытеснили применяемый до этого
легированный поликремний в затворных структурах МОП. Технология нанесения металлических пленок будет рассмотрена в последующих главах.
Кроме рассмотренных выше основных материалов, в микроэлектронике широко используются не менее важные вспомогательные материалы. Так, в литографии при создании рисунка интегральной схемы применяется большое количество позитивных и
негативных фоторезистов. Для размерного жидкостного или вакуумно-плазменного травления защитных масок, а также для создания металлических межсоединений используется большой набор
различных кислот, органических растворителей и газообразных
веществ. Наконец, в гибридных интегральных схемах в качестве
подложки используются специальные керамики, пасты и защитные лаки. Более подробно об этих материалах будет сказано в последующих разделах.
21
4. СТРУКТУРНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
МАТЕРИАЛОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Физические процессы, протекающие в полупроводниках, удобно
рассматривать с позиции соответствующей модели. Любая адекватная
модель явления, несмотря на некоторое упрощение рассматриваемого
объекта, позволяет объяснить его свойства, а в некоторых случаях и
предсказать ранее неизвестные факты. Применительно к полупроводникам наибольшее распространение получили: модель ковалентной
связи, модель энергетических зон, включая простую физическую и
математическую модель Кронига-Пенни, в доступной форме изложенную в работах [9, 11].
4.1. Модель ковалентной связи
Не останавливаясь на аморфной и поликристаллической
структурах твердых тел, более подробно рассмотрим монокристаллическую, используемую в производстве ИС. Отметим, что
основную роль в процессе объединения атомов в кристалл, играют
внешние электроны. В данном случае кроме ковалентной связи,
при которой внешние, т. е. валентные электроны становятся общими для ближайших соседних атомов, различают ионную и металлическую связь.
При ионной связи соседние атомы как бы обмениваются
электронами, в результате чего в структуре образуются разнополярные ионы. Примером может служить связь двух атомов 1 и 7
группы, например NaCl.
При металлической связи кристаллическая решетка «пропитана»
электронным газом. Внешние электроны не связаны с конкретными
атомами и свободно перемещаются в пределах данного металла.
В твердых телах (в том числе и в полупроводниках) с ковалентной связью атомы могут группироваться в различные формы кристаллической решетки: простую кубическую, в каждой вершине которой
располагается один атом, принадлежащий одновременно восьми соседним
элементарным
ячейкам;
кубическую
объемноцентрированную, где, помимо атомов в вершинах кубов, имеется еще
один атом в центре (Mo, W); кубическую гранецентрированную, у ко22
торой, кроме восьми атомов в вершинах куба, шесть атомов располагаются в центрах граней (Al); решетка типа алмаза, которая представляет собой две, вложенные друг в друга кубические гранецентрированные решетки, смещенные на расстояние четверти диагонали куба
(C, Si, Ge), и решетка типа (GaAs), которая конструируется из решетки типа алмаза, где атомы Ga совпадают с узлами одной гранецентрированной решетки, а атомы As – с узлами другой. Более подробно с
кристаллической структурой твердых тел можно познакомиться в
специальной литературе.
Один из наиболее распространенных полупроводников – кремний (Si), является элементом четвертой группы и на верхней оболочке
имеет четыре валентных электрона, обеспечивающих ковалентную
связь, при которой каждый атом валентными электронами связан с
четырьмя соседними атомами (рис. 4.1). При использовании более
наглядной плоской модели Si каждая межатомная связь реализуется
двумя общими электронами (рис. 4.2).
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Рис. 4.1. Тетраэдрическое пространственное расположение атомов
Si в кристаллической решетке
Рис. 4.2. Двумерная модель ковалентной связи атомов Si в кристаллической решетке
Если удалить один из атомов кремния в решетке и заменить его
на трех- или пятивалентный атом (бор или фосфор соответственно),
то в первом случае одна из связей кремния не будет скомпенсирована (у бора всего три валентных электрона) и в полупроводнике образуется положительный заряд – дырка, характеризующая полупроводник р-типа. В случае пятивалентной примеси (фосфор) пятый валентный электрон окажется «лишним» и не будет связан с валентным
электроном кремния. В итоге получим полупроводник n-типа с элек23
тронной проводимостью. Двумерные модели полупроводников p-типа
и n-типа представлены на рис. 4.3.
Si
Si
Si
B
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
Si
–
Si
Si
p
Si
Si
n
Рис. 4.3. Двумерная модель кристаллической решетки Si
с примесными атомами p-типа и n-типа
Реальный монокристалл всегда имеет не скомпенсированные валентные связи на границе (поверхности), которые определяют его поверхностные свойства.
4.2. Модель энергетических зон
Модель энергетических зон в твердом теле вводится для того,
чтобы связать между собой энергию и импульс носителей заряда в
кристаллах. Она позволяет найти распределение электронов и дырок
по энергиям в полупроводнике.
Рассмотрим вначале простую физическую модель энергетических зон [9].
Согласно квантовой механике электрон, входящий в состав атома, рассматривается как некая квазичастица, свойства которой описываются уравнением Шредингера (4.1)
2(x, y, z) + (82m / h2)[E – V(x, y, z)](x, y, z) = 0,
(4.1)
где  2 = (  2 /  x 2 )+(  2 /  y2 )+(  2 /  z 2 ), (x, y, z) – волновая функция,
Е – полная энергия электрона, V(x, y, z) – потенциальная энергия
электрона.
Уравнение (4.1) имеет отличное от нуля решение только при некоторых дискретных значениях энергии Е, что соответствует некото24
рому квантовому состоянию. Этому состоянию отвечает определенное значение энергии Е и импульса (mv или ћk), иначе, можно утверждать, что электрон, входящий в состав свободного атома, характеризуется набором квантовых чисел и дискретных значений энергии. При
этом говорят, что электроны в атоме занимают некоторые разрешенные уровни (s, p, d и т. д.).
Из-за большой концентрации атомов в твердом теле происходит расщепление каждого уровня и образование соответствующих
зон аналогично, как происходит деформация резонансной кривой
двух связанных колебательных контуров при сильной связи. Процесс расщепления энергетических уровней и образование энергетических зон можно продемонстрировать на примере атома углерода. В его структуре на k – оболочке с двумя подоболочками имеется два и шесть уровней соответственно. Первая оболочка с двумя
уровнями заполнена. На второй из шести уровней заполнено только
два, поэтому четыре уровня являются свободными. При сближении
атомов, как это показано на рис. 4.4, происходит постепенное расщепление уровней. Расстояние X1 – соответствует состоянию свободного атома углерода. При сближении атомов до расстояния X2
образуются две зоны; при расстоянии X 3 две зоны сливаются в одну, что соответствует состоянию графита. При дальнейшем сближении до X4 образуются три зоны, соответствующие структуре алмаза: внизу валентная зона (E v), образованная четырьмя валентными электронами (два электрона на уровне 2s и два на уровне 2p),
вверху – зона проводимости (Е c) с четырьмя свободными вакансиями и между ними запрещенная зона (Е g). Наличие запрещенной
зоны характерно для всех полупроводников.
E
Ec
Eg
Ev
X4
X3
X2
X1
Рис. 4.4. Образование энергетических зон в атоме углерода
25
X
Зонная модель может быть представлена в упрощенном виде
(рис. 4.5). Каждый атом углерода, входящий в состав кристалла, имеет
четыре электрона в валентной зоне. Кроме того, каждому атому отведены четыре вакантных уровня в зоне проводимости.
E
Ec
Eg
Ev
Рис. 4.5. Классическая энергетическая
зонная модель полупроводника
При нулевой температуре зона проводимости пуста, а валентная
заполнена полностью и электропроводность при этом отсутствует.
Если электрону сообщить энергию Е > Еg, то он может перейти в зону
проводимости. При комнатной температуре (300 К) эта энергия, определяющая величину запрещенной зоны, составляет 1,12 эВ для Si,
0,72 эВ для Ge и 5,5 эВ для алмаза.
В зависимости от расположения зон и величины запрещенной
зоны все твердые тела подразделяются на диэлектрики, полупроводники и металлы (рис. 4.6).
Еc
Еg  8 эВ
Еv
Диэлектрик
Еg = 0,5-5,5 эВ
Еc
Еv
Еv
Еc
Полупроводник
Металл
Рис. 4.6. Энергетическая зонная модель для диэлектрика,
полупроводника и металла
В диэлектрике тепловое возбуждение недостаточно для перевода
электрона из Еv в Ec .В металлах из-за слабой связи электронов со
своими атомами валентная зона и зона проводимости перекрываются.
Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают
полупроводники. Внешние электроны всегда находятся в зоне прово26
димости и под действием электрического поля могут перемещаться в
направлении поля.
Следует иметь в виду, что описанная выше упрощенная модель
является лишь наглядным графическим изображением, а энергетические зоны следует трактовать не как каналы, разрешенные для перемещения электронов и дырок, а лишь как совокупность энергетических уровней, характеризующих возможность состояния заряженных
частиц.
В энергетических диаграммах ось энергии направлена вверх и
так как заряд электрона отрицательный, то ее значения на оси численно равны электрическому потенциалу.
4.3. Математическая модель энергетических зон
(модель Кронига-Пенни)
Одной из наиболее простых и эффективных математических
моделей зонной структуры полупроводников является модель
Кронига-Пенни [9]. Она позволяет более точно определить энергетические зоны как простых, так и сложных полупроводников и
получить сведения о квантово-механических свойствах электрона.
Согласно модели Кронига-Пенни (рис. 4.7), электрон, находящийся в периодической решетке (решетка Браве), при движении испытывает периодическое ускорение и замедление под действием
электрического поля атома. Распределение потенциала для простоты
расчета представлено в виде периодически чередующихся барьеров
прямоугольной формы величиной Vo, предполагая, что кристалл является однородным и неограниченно протяженным.
V
Vo
E
b
–a–2b
a
–a–b
–b
0
a
a+b
Рис. 4.7. Модель Кронига-Пенни:
a – ширина потенциальной ямы; b – ширина области с потенциалом Vo; а + b – постоянная решетки
27
Движение электрона вдоль такой решетки описывается волновой
функцией (x), которая является решением уравнения Шредингера
d2(x) / dx2 + (2m / ћ)[E – V(x)](x) = 0.
(4.2)
Простейшим решением уравнения (4.2) является плоская волна с
некоторым волновым числом, модулированная по амплитуде некоторой функцией, период которой совпадает с периодом кристаллической решетки. Такие решения называют функциями Блоха, которые
после преобразования принимают вид:
[(2 – 2) / 2].sh(b).sin(a) + ch(b)cos(a) = cos(kL) =
= cos(2n / N) при Е < Vo,
(4.3)
– [(2 + 2) / 2].sin(b).sin(a) + cos(b).sin(a) = cos(kL) =
= cos(2n / N) при Е > Vo,
(4.4)
где 2 = 2mE / ћ2, 2 = 2m(Vo – E) / ћ2,  = i, L = a + b, k = 2n / NL,
Vo – высота потенциального барьера, E – полная энергия электрона.
Уравнение (4.3) и (4.4) являются математической моделью Кронига-Пенни.
Положив b  0, а V , при этом Vb = соnst, и введя параметр
P = lim(2ab / 2),
получим
 
b 0
(p / L).sin(L) + cos(L) = cos(kL).
(4.5)
Поскольку 2 = 2mE / ћ2, то уравнение (4.5) устанавливает связь между полной энергией электрона (Е) и волновым вектором (k). График
этой зависимости представлен на рис. 4.8.
Таким образом модель Кронига-Пенни на основании решений
уравнения Шредингера для кристаллической структуры твердого тела
доказывает существование разрешенных и запрещенных зон в монокристалле полупроводника. График зависимости Е(k) на рис. 4.8 б получен при сдвиге соответствующих зон слева и справа на величину
nL, что допустимо, т. к. функция периодическая.
28
E
E
k
-3/L -2/L
-/L
0
/L
k
-/L
2/L 3/L
а
0
/L
б
Рис. 4.8. Функция Е(k) в соответствии с моделью Кронига-Пенни (а).
Зависимость Е(k), приведенной к первой зоне Брюллиоэна (б), разрешенные зоны заштрихованы
Ограничиваясь рассмотрением энергетических зон для валентных электронов, зонная структура будет иметь вид (рис. 4.9):
E
Ec
Eg
Ev
0
k
Рис. 4.9. Зонная структура простого
полупроводника (Si) для валентных
электронов
Нижняя часть энергетической диаграммы в обычных условиях
для полупроводника (валентная зона – Ev), как правило, заполнена.
Верхняя (зона проводимости – Ec) при Т = 0 К пуста. Между ними
расположена запрещенная зона Eg = Ec – Ev. Для создания проводимости в полупроводнике необходимо перебросить электроны с валент29
ной зоны в зону проводимости, сообщив им энергию Е > Еg. Отсутствие электрона в валентной зоне воспринимается как положительный заряд, равный заряду электрона (дырка). Движение электронов и
дырок в полупроводнике характеризуется эффективной массой m*,
которая отличается от массы покоя и различна для электронов и дырок:
m*n  m*p.
(4.6)
4.4. Модель энергетических зон для примесных полупроводников
В собственном полупроводнике (без примесей) при Т = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости
свободна. Уровень Ферми при этом расположен посредине запрещенной зоны (рис. 4.10).
E
Ec
E f = Ei
Ev
Рис. 4.10
При Т > 0 К полупроводник приобретает собственную проводимость за счет одновременной термогенерации электронно-дырочных
пар. Если в полупроводник внести примесь, то в зависимости от ее
валентности полупроводник приобретет электронную проводимость
(в случае пятивалентной примеси – P или As) или дырочную (в случае
трехвалентной примеси – B, Ga). Примесные атомы создают дополнительные уровни энергии, расположенные внутри запрещенной зоны:
n-типа – вблизи дна зоны проводимости и p-типа – над потолком валентной зоны. Аналогично смещается и уровень Ферми.
Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:
Eg = (Eс – Ev) – (T).T,
(4.7)
где (T) = 3.10–4 В/K.
Положение уровня Ферми также зависит от температуры, смещаясь по мере ее увеличения к середине запрещенной зоны, так как
30
увеличивается собственная проводимость.
E
E
Eс
Ef
Eс
Ed
Ei
Ei
Ef
Ev
T
Ea
Ev
T
а
б
Рис. 4.11. Смещение уровня Ферми (Ef) в зависимости от температуры
примесного полупроводника (а – n-типа и б – p-типа)
Положение уровня Ферми в примесных полупроводниках при
низких температурах определяется формулой
Ef = (Ec – E d) / 2 + (kT / 2).ln(Nd / Nc),
(4.8)
где Ed – энергетический уровень донорной примеси, N d – концентрация донорных примесей, Nc – плотность состояний в зоне проводимости.
При Т = 0
Ef = (Ec – Ed) / 2.
(4.9)
С повышением температуры примесная проводимость приближается к насыщению, а собственная монотонно увеличивается, и, как
отмечалось выше, примесный полупроводник как бы превращается в
собственный, а уровень Ферми смещается к середине запрещенной
зоны.
31
5. СТАТИСТИКА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ
В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
5.1. Статистика Ферми – Дирака
Целью любой статистической теории является нахождение
функции распределения частиц по определенному параметру, в частности, вероятности того, что в условиях термодинамического равновесия при заданной температуре некоторая частица занимает определенный энергетический уровень Е.
В зависимости от энергетического состояния рассматриваемого ансамбля частиц статистический подход к его описанию может быть различным. Например, если рассматриваются частицы в
произвольном внешнем потенциальном силовом поле, то для описания их энергетического состояния применима функция распределения Больцмана [9]:
fБ(Е, Т) = C e–Е / kT,
(5.1)
где С – некоторая постоянная, а k – постоянная Больцмана.
График этой функции имеет вид, представленный на рис. 5.1.
fБ (Е , Т )
Е
Рис. 5.1. Функция распределения Больцмана
Распределение неразличимых квантово-механических частиц,
описываемых симметричными волновыми функциями, определяется статистикой Бозе – Эйнштейна (5.2). При этом считается, что
число частиц, которые могут занимать один и тот же уровень, не
ограничено.
32
fБЭ(Е, Т) = {1 – exp[(Е – Ев) / kT]}–1,
(5.2)
где Ев – некоторая постоянная величина.
Распределение подвижных носителей зарядов по энергиям в кристалле собственного (беспримесного) полупроводника описывается
квантово-механической функцией Ферми – Дирака. Следует иметь в
виду, что речь идет о распределении электронов или дырок по энергиям в условиях термодинамического равновесия при фиксированной
температуре. Статистика Ферми – Дирака применима к частицам,
волновые функции которых антисимметричны и подчиняются запрету Паули (на одном и том же квантовом уровне не может находиться
более одного электрона). Аналитически функция Ферми – Дирака для
электронов записывается уравнением (5.3).
Fn(E, T) = {1 + exp[(Е – Еf) / kT]}–1,
(5.3)
где Еf – уровень Ферми, физический смысл которого будет уточнен
ниже.
При Е >> Еf функция Ферми – Дирака переходит в функцию
Максвелла-Больцмана, что упрощает рассмотрение некоторых параметров полупроводниковых устройств.
Графически функция Ферми – Дирака в двух вариантах представлена на рис. 5.2.
E
Fn(E)
T1 = 0 K
T2 > T1
T1 = 0
K
Е = Еf
1,0
T2 > T1
T3 > T2
T3 > T2
0,5
0
Е = Еf
E
0
Fp(E) 1,0
0,5
1,0
0,5
0
Fn(E)
Рис. 5.2. Функция Ферми – Дирака для электронов Fn(E) и дырок Fp(E)
33
Если в качестве параметра выбрать Т, то F(E) может принимать
следующие значения:
1) T = 0, Fn(E) = 0 при E > Еf, Fn(Е) = 1 при Е < Ef;
2) Т > 0, Fn(E)  1 при Е  0, Fn(E)  0 при Е  .
При любых температурах (Т = 0 и Т  0) F(E) = 0,5 при Е = Еf.
Отсюда видно, что так называемый уровень Ферми (Еf) представляет
собой тот энергетический уровень, вероятность заполнения которого
при любой температуре составляет 0,5.
Функцию распределения для дырок Fp(Е) найдем из очевидного
равенства
Fn(Е, Т) + Fp(Е, Т) = 1,
откуда Fp(Е, Т) = 1 – Fn(Е, Т) = {1 + exp[(Еf – E) / kT]}–1.
(5.4)
(5.5)
Если Е >> Е f, то F(E, Т) = C . exp(– E / kT), т. е. функция
Ферми – Дирака совпадает по форме с функцией Больцмана.
С помощью функции Ферми – Дирака можно ввести критерий
вырождения полупроводника: если Fn(E, Т) << 1, то полупроводник не
вырожден. Степень вырождения наступает при концентрации примеси N > 1018 см–3.
5.2. Концентрация носителей зарядов в полупроводнике
Функция Ферми – Дирака позволяет определить концентрацию
подвижных носителей зарядов в полупроводнике при условии, что
известна плотность квантовых уровней как в валентной, так и в зоне
проводимости для дырок и электронов соответственно. Согласно
квантовой теории, плотность квантовых уровней в зоне проводимости
равна [9]
N(E) = (4 / h3)(2mn)3 / 2(Е – Е c)1 / 2 = Nc(E – Ec)1 / 2.
(5.6)
Аналогично в валентной зоне
N(E) = (4 / h3)(2mp)3 / 2(Ev – E)1 / 2 = Nv(Ev – E)1 / 2,
(5.7)
где Nc и Nv – некоторые постоянные, mn и mp – эффективные массы
для электрона и дырки соответственно.
N(E) вблизи зон проводимости и валентной имеет параболический вид (рис. 5.3). На рис. 5.3 площадь заштрихованных областей
пропорциональна числу уровней в интервале энергий dE при единичном объеме.
34
E
dE
Ec
Ev
dE
N(E)
Рис. 5.3. Распределение плотности
вероятности уровней в зоне проводимости
и валентной в зависимости от энергии
Число электронов в зоне проводимости с энергией от E до
E + dE в единице объема при E  Ef будет
dn = N(Е).Fn(E).dE.
(5.8)
Число электронов во всей зоне проводимости, приходящееся на
единицу объема, равно

n =  N(Е).Fn(E).dE,
Еc
(5.9)
а число дырок в валентной зоне на единицу объема
Еv
p =  N(Е).Fp(E).dE.
(5.10)
0
Подставим (5.6) и (5.7) в (5.9) и (5.10)

n = (4 / h3)(2mn)3 / 2(E – Ec)1 / 2.[1 + exp[(Е – Еf) / kT]–1.dE,
Еc
и выполнив интегрирование, получим
n = Nc.exp[– (Еc– Еf) / kT],
(5.11)
где Nc = 2(2mnkT / h2)3 / 2. Аналогично
p = Nv.exp[ – (Еf – Еv) / kT],
где Nv = 2(2mpkT / h2)3 / 2.
35
(5.12)
В уравнении (5.11) и (5.12) Nc и Nv характеризуют эффективную
плотность квантовых состояний в зоне проводимости и валентной
зоне соответственно. Они равны между собой, если равны соответствующие эффективные массы mn и mp.
Если положить, что mn = mp = mo, то
Nc = Nv = 2(2mokT / h2)3 / 2 = 4,82.1015.T3 / 2 см–3.
(5.13)
Для кремния mn = 0,26.mo и mp = 0,49.mo, поэтому Nc =
= 6,36.1014.T3 / 2 см–3, Nv = 1,65.1015.T3 / 2 см–3. Используя графическое
изображение F(E) и N(E), можно определить концентрацию носителей
зарядов (рис. 5.4) согласно выражениям (5.9) и (5.10).
E
E
E
n
Ec
Ec
Ef
Ev
Ef
Ev
p
N(E)
0
0,5
1
F(E)
N(E).F(E)
Рис. 5.4
Можно показать, что произведение n.p является функцией температуры и ширины запрещенной зоны (Еc – Ev) = Eg
n.p = Nc.Nv.exp[ – (Е c– Еv) / kT] = Nc.Nv.exp(Eg / kT).
(5.14)
Ширина запрещенной зоны зависит от температуры, которая дается эмпирической формулой
Eg(T) = Eog – T,
(5.15)
где  = 2,8.10–4 эВ / К – температурный коэффициент.
Как видно из (5.14) и (5.15), правая часть уравнения (5.14) зависит только от Т и Е g и не зависит от n и p. Следовательно (5.14)
справедливо как для собственных, так и для примесных полупроводников. Для собственных полупроводников n = p = n i, поэтому
n.p = n i2 = p i2 – уравнение полупроводников.
36
Рассмотрим отношение p / n
p / n = (Nv / Nc).exp[(Ec + Ev – 2Ef) / kT],
(5.16)
из которого следует
Еf = 0,5(Еc + Еv) – 0,5.kT.ln(p / n) – 0,75.kT.ln(mn / mp).
(5.17)
Так как для собственного полупроводника ln(p / n) = 0, то при
mp = mn
Ef = 0,5(Ec– Ev)
(5.18)
Таким образом, мы получили подтверждение того, что уровень
Ферми для собственного полупроводника расположен в середине запрещенной зоны.
Функция распределения Ферми – Дирака справедлива и для примесных невырожденных полупроводников. Поскольку в полупроводнике n-типа часть электронов поступает в зону проводимости не за
счет образования дырок в валентной зоне, а из донорных уровней
примеси, то вероятность появления электрона в зоне проводимости
выше, чем вероятность появления дырки в валентной зоне. Это возможно только в том случае, если уровень Ферми будет смещен в сторону зоны проводимости и чем выше концентрация донорной примеси, тем больше это смещение. В примесном полупроводнике p-типа
наоборот, смещение уровня Ферми происходит в сторону валентной
зоны. Зонная структура примесных полупроводников n-типа и p-типа
в сочетании с графическим представлением функции распределения
Ферми – Дирака и плотности энергетических состояний в валентной
зоне и зоне проводимости представлена на рис. 5.5.
Из приведенных графиков рис. 5.5 видно, что в примесном полупроводнике n-типа преобладает электронная проводимость, главным
образом, за счет донорной примеси, которая уже при комнатной температуре полностью ионизована. Электроны в данном случае считаются основными носителями, которых значительно больше, чем неосновных (дырок), что согласуется с аналитическим выражением для
концентрации электронов в примесном полупроводнике. В примесном полупроводнике p-типа преобладает дырочная проводимость.
37
E
E
E
n
Ec
Ef
Ec
Ef
Ev
Ev
p
0
N(E)
0,5
1
E
E
N(E).F(E)
F(E)
E
n
Ec
Ec
Ef
Ev
Ef
Ev
p
N(E)
0
0,5
1
F(E)
N(E).F(E)
Рис. 5.5
Если полупроводник одновременно легирован донорной и акцепторной примесью, то тип проводимости будет определяться соотношением концентраций соответствующих примесей.
Как указывалось выше, в сильно легированном полупроводнике
наступает вырождение. В этом случае уровень Ферми в полупроводнике n-типа близок ко дну зоны проводимости или даже заходит в
нее, а в полупроводнике p-типа соответственно приближается к потолку валентной зоны. В более строгом смысле вырожденный полупроводник характеризуется неравенством
Ec – Ef < 3kT.
38
(5.19)
При повышении температуры уровень Ферми в примесных
полупроводниках смещается к середине запрещенной зоны, т. к.
собственная проводимость при этом возрастает и может превысить примесную.
5.3. Вырожденные полупроводники
Общепринятым критерием невырожденности полупроводника
является значение функции Ферми – Дирака F << 1. Вырождение
наступает при увеличении концентрации примеси. Определим ту предельную концентрацию, при которой полупроводник переходит в состояние вырождения. Для этого проанализируем уравнения (5.11) и
(5.12), определяющие концентрацию носителей зарядов в невырожденных полупроводниках. При Ef = Ec, n = Nc и при Ef = Ev, p = Nv.
Nc и Nv представляют собой максимально возможную концентрацию
подвижных электронов и дырок в зоне проводимости и валентной
зоне соответственно невырожденного полупроводника.
В вырожденном полупроводнике уровень Ферми может располагаться выше дна зоны проводимости и ниже потолка валентной зоны.
Переход от невырожденного состояния в вырожденное может произойти при любой температуре по мере увеличения концентрации
примеси. Предельная концентрация перехода от невырожденного состояния к вырожденному составляет N > 10–18 см–3.
39
6. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Под кинетическими явлениями понимают процессы переноса зарядов (электронов дырок) в полупроводниках. Учитывая малые линейные размеры микроэлектронных структур, специфика переноса
зарядов имеет ряд особенностей, как то: большие локальные напряженности электрического поля, большие градиенты концентрации носителей зарядов (резкие полупроводниковые переходы), взаимное
влияние элементов ИС и др. Учесть все эти особенности весьма трудно, поэтому в качестве первого приближения используют аналитические выражения, полученные при  << L, где L – линейные размеры
структуры, а  – длина свободного пробега электрона. Эти вопросы
подробно изложены в [1, 9, 11].
На движение заряженных частиц влияют четыре основных фактора: температура, электрические и магнитные поля и градиент концентрации.
Тепловое движение частиц в силу его хаотичности обуславливает
лишь рассеяние потока частиц, однако на направленное движение не
влияет.
Рассмотрим процесс переноса электронов и дырок в условиях
стационарной неравновесности при отсутствии магнитного поля.
Перемещение зарядов под действием электрического поля
называется дрейфом частиц, характеризующимся дрейфовой
скоростью vnE = nE – для электронов и vpE = p.E – для дырок,
где  – дрейфовая подвижность.
Плотность тока для электронов и дырок запишется
jnE = envnE = ennE, jpE = epvpE = eppE.
(6.1)
Суммарная подвижность дрейфового тока равна
jnE + jpE =e(nn + pp)E = E,
(6.2)
где  – удельная электропроводность.
Дрейфовые скорости vnE и vpE направлены противоположно, однако плотности токов складываются, т. к. их сумма характеризует
общую сумму переноса зарядов (рис. 6.1).
40
E
n –––––
E
p –––––
vnE
–––––
vpE
–––––
jnE
–––––
jpE
–––––
Рис. 6.1
При наличии градиента концентрации носителей зарядов возникает диффузионная составляющая плотности тока:
JnD = eDn(dn / dx),
JpD = – eDp(dp / dx).
(6.3)
Отрицательный знак означает тот факт, что вектор плотности диффузионного тока направлен в сторону, противоположную градиенту
концентрации дырок (рис. 6.2).
dn / dx
n –––––
dp / dx
p –––––
n
–––––
p
–––––
JpD
–––––
JnD
–––––
Рис. 6.2
Если явления дрейфа и диффузии наблюдаются одновременно, то
в этом случае для одномерной модели можно записать следующие соотношения для плотности электронного и дырочного тока:
Jn = jnE + jnD = ennE + eDn(dn / dx),
(6.4)
jp = jpE + jpD = eppE – eDp(dp / dx).
(6.5)
Между явлениями дрейфа и диффузии существует некоторая связь, которая количественно определяется соотношением
Альберта Эйнштейна [9].
6.1. Эффект Холла
Как известно, эффект Холла возникает в полупроводнике, находящемся в постоянном магнитном поле, индукция которого B перпендикулярна направлению протекающего через образец постоянного
тока I. При этом в полупроводнике возникает электрическое поле
(э. д. с. Холла), вектор напряженности которого Eх нормален плоскости B.I (рис. 6.3).
41
B
z
I
x
d
y
Ex
Рис. 6.3. Полупроводниковый образец,
в котором наблюдается эффект Холла
Этот эффект позволяет экспериментально определить тип электропроводности полупроводника, концентрацию носителей и их подвижность, используя выражение для э. д. с. Холла (Eх):
Ex = Rx.I.B / d,
(6.6)
где Rx = Rxn = – An / ne – постоянная Холла для электронного полупроводника или Rx = Rxp = Ap / pe – для дырочного полупроводника
(n и p – концентрация электронов и дырок соответственно), d – толщина образца, An и Ap – коэффициенты, величина которых зависит от
образцов и изменяется в пределах от 0,5 до 2,0. В сильных магнитных
полях для вырожденных полупроводников А = В = 1,0. Из формулы (6.6) видно, что э. д. с. Холла тем выше, чем тоньше образец полупроводника. С позиции микроэлектронных структур, в которых используются тонкие полупроводниковые слои, эффект Холла может
существенно влиять на работу микроэлектронных изделий, подвергающихся воздействию сильных магнитных полей.
6.2. Генерация и рекомбинация носителей зарядов
Кроме дрейфа и диффузии, в полупроводниковых материалах
может происходить генерация дополнительных носителей зарядов, а
также их рекомбинация. Эти явления бывают двух типов – прямые
(межзонные) и промежуточные (ступенчатые), обусловленные наличием промежуточных уровней (рис. 6.4).
42
__________ Ec
G 
 R
Ev
__________ Ec
   Ei
 
Ev
Рис. 6.4
Кроме того, следует учитывать поверхностные явления, которые
трактуются как уровни Тамма – Шокли, эквивалентные появлению в
запрещенной зоне дополнительных уровней, центров рекомбинации.
Наконец, неоднородное распределение носителей зарядов в полупроводнике создает внутренние локальные неоднородные электрические
поля, которые тоже следует учитывать при определении плотности
суммарного тока.
С учетом вышесказанного, генерация и рекомбинация носителей
зарядов приводит к нарушению термодинамического равновесия, и
прежние соотношения для концентрации электронов и дырок несправедливы. В этом случае, вместо уровня Ферми Еf, вводятся две величины Efn и Efp, и уравнения (5.11) и (5.12) примут вид
n = Nc.exp[ – (Еc – Еfn) / kT],
(6.7)
p = Nv.exp[ – (Еfp – Еv) / kT],
(6.8)
где Еfn и Еfp трактуются как квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно.
Выполнив подстановки n = – Efn / e, p = – Efp / e,  = – Ei / e,
преобразуем формулы (6.7) и (6.8) к виду
n = ni.exp[( – n) / UT],
p = ni.exp[(p – ) / UT],
(6.9)
(6.10)
где n и p – так называемые потенциалы Ферми,  – электростатический потенциал, UT = kT / e – температурный потенциал.
6.3. Явления переноса в динамически неравновесном состоянии;
уравнение непрерывности
С учетом явлений дрейфа и диффузии носителей зарядов, а также
процессов генерации и рекомбинации, можно составить фундамен43
тальные уравнения, описывающие изменения во времени избыточных
носителей зарядов (электронов и дырок) в полупроводниковых материалах.
Идея, лежащая в основе вывода этих уравнений, базируется
на том, что разность между числом входящих и выходящих носителей для некоторого объема равна изменению числа частиц в
этом объеме.
n / t = – dJn / dx + Gn – (n – no) / n,
(6.11)
p / t = – dJp / dx + Gp – (p – po) / p,
(6.12)
где Jn и Jp – плотности потока электронов и дырок, Gn и Gp – коэффициенты генерации дополнительных носителей зарядов,
(n – no) / n и (p – po) / p – коэффициенты рекомбинации для электронов и дырок соответственно, n и p – среднее время жизни, no
и po – равновесные концентрации.
Выражая потоки заряженных частиц через токи, получим окончательное выражение для уравнений непрерывности
n / t = Dn(2n / x2) + nEx(n. / x) + Gn – (n – no) / n,
(6.13)
p / t = – Dp(2p / x2) + pEx(p / x) + Gp – (p – po) / p.
(6.14)
44
7. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУРАХ
Подавляющее большинство микроэлектронных элементов, как и
дискретных полупроводниковых приборов, работает на физических
свойствах контактов различных сред: контакт полупроводников
p-типа и n-типа, контакт полупроводник–металл, диэлектрик–
полупроводник и их более сложных комбинаций металл–диэлектрик–
полупроводник (МДП), p–n–p и n–p–n и др., а также контакт полупроводника с воздушной средой. Отличительной особенностью контактных структур в микроэлектронике является их малые линейные размеры. Так, например, если переходная область контакта
мощных дискретных полупроводниковых приборов имеют форму
квадрата со стороной в несколько мм, то размеры контактов в интегральных схемах не превышают 0,01 мм. Кроме того, сама область контакта неоднородна. Помимо металлургического контакта, под которым подразумевают плоскость, разделяющую
контактирующие среды, по обе стороны от него образуются области пространственного заряда с толщиной от 10 –6 до 10 –4 см и
только за ними располагаются нейтральные участки контактирующих элементов, линейные размеры которых сравнимы с переходной областью. что порождает различные квантовомеханические эффекты в виде туннелирования при преодолении
заряженными частицами потенциального барьера, генерации «горячих» электронов и других специфических явлений. Учитывая
отмеченные особенности контактов микроэлектронных структур,
для изучения протекающих в них процессов целесообразно рассматривать их с помощью единого подхода, например, используя
модели зонных энергетических структур дискретных полупроводниковых элементов в качестве первого приближения с последующим учетом линейных размеров изделий микроэлектроники.
7.1. Контактная разность потенциалов; работа выхода
На границе раздела двух различных по типу электропроводности
твердых тел в приконтактных областях происходит перераспределение подвижных носителей зарядов, что приводит к возникновению
45
потенциального барьера. При этом электрические свойства контактов
зависят от работы выхода контактирующих областей, а также величины приложенного внешнего напряжения. Если при одной
полярности приложенного напряжения сопротивление контакта
увеличивается, то контакт называется «выпрямляющим», а при
уменьшении сопротивления – «невыпрямляющим». На основе
этих контактов формируют активные микроэлектронные компоненты, изолирующие слои и другие элементы ИС. Невыпрямляющие контакты используют в качестве омических выводов.
Величина потенциальных барьеров различных контактирующих элементов, в первую очередь, зависят от работы выхода
соответствующих материалов. Однако, понятие работы выхода
для полупроводников неоднозначно в силу того, что эле ктроны
могут находиться на различных энергетических уровнях. Исходя из энергетической зонной модели, среднее значение р аботы
выхода определяется величиной энергии, необходимой для
удаления электрона с уровня Ферми на нулевой уровень, т. е. в
свободное состояние (рис. 7.1).
n
Eо
Ec
p
Eо
n
p
Efn
Ei
Ec
Ei
Efp
Ev
Ev
Рис. 7.1. Определение работы выхода
для полупроводников n-типа и p-типа
Таким образом, на границе контактирующих элементов возникает контактная разность потенциалов о, определяемая разностью работ выхода (1 – 2), а для носителей зарядов создается потенциальный барьер Еп, который в условиях равновесия равен
Епо = eо = 1 – 2.
46
(7.1)
7.2. Контакт двух металлов
Рассмотрим два металла с различными значениями работы
выхода и энергиями уровней Ферми. Приведя их в контакт,
начнется преимущественный переход электронов из металла с
меньшим значением работы выхода в другой металл. Спустя некоторое время, установится равновесное состояние, поддерживаемое
возникшей контактной разницей потенциалов, переход электронов прекратится, энергетические уровни Ферми расположатся на
одном уровне. Результирующая разность потенциалов контактирующих двух металлов равна
рез = e–1(Еfm1 – Еfm2),
(7.2)
где Еfm1 и Еfm2 – энергетические уровни Ферми металлов.
Зонная энергетическая структура контакта двух металлов представлена на рис. 7.2.
M1
M2
Eо
Eо
1
2
Ef1
Ef2
M1
+ –
+ –
M2
Eо
eo
2
1
Ef
Ef
Рис. 7.2. Зонная энергетическая структура
контакта двух металлов
47
В заключение отметим, что в случае контакта двух металлов
при установлении равновесного состояния в области контакта образуется двойной слой объемного заряда. Однако из-за большой
концентрации свободных электронов в металлах при одинаковой
и неизменной температуре заметной контактной разности потенциалов не возникает.
7.3. Контакт металла с полупроводником
При контакте металла с полупроводником возможны следующие
четыре варианта:
*
контакт металла с полупроводником n-типа при m > p;
*
контакт металла с полупроводником n-типа при m < p;
*
контакт металла с полупроводником p-типа при m > p;
*
контакт металла с полупроводником p-типа при m < p.
Учитывая различие работы выхода металла и полупроводника
n-типа или p-типа, априори можно утверждать, что при их контакте
образуется потенциальный барьер даже при отсутствии внешнего
электрического поля. Высота этого барьера будет отражена величиной искривления энергетических зон.
Рассмотрим более подробно первый вариант, когда работа
выхода контактирующего металла выше работы выхода для полупроводника n-типа. При контакте поток электронов из полупроводника устремится в металл и последний в приконтактной области зарядится отрицательно. Уровень Ферми в металле будет повышаться. Полупроводник из-за потери электронов в приконтактной области будет заряжаться положительно, точнее, концентрация электронов будет уменьшаться, из-за чего уровень Ферми полупроводника будет понижаться. При установлении динамического равновесия уровни Ферми металла и полупроводника выровняются. Для электронов, проникающих из полупроводника в металл, возникнет потенциальный барьер.
Епо = eo = m – p.
(7.3)
Приповерхностный слой полупроводника окажется обедненным
на глубину dn от контакта. Глубина проникновения контактного поля
тем глубже, чем больше разность работ выхода и чем меньше концентрация легирующей примеси в полупроводнике.
48
dn = (2о Епо / noe)1 / 2.
(7.4)
Следует отметить, что проникновение контактного поля в металл
будет намного меньше dn из-за различия концентрации носителей в
металле и полупроводнике.
Возникновение внутреннего электрического поля в контактной области приведет к искривлению энергетических зон, в данном случае вверх, так как для преодоления потенциального барьера электрону потребуется дополнительная энергия. Изменение величины контактного потенциала от границы контакта будет происходить по закону
 = o.exp(– x / Ld),
.
(7.5)
а концентрация электронов в возмущенной области
n(x) = no.exp(– Eп(x) / kT).
(7.6)
Легко показать, что в случае, когда m <p, концентрация электронов в приконтактной области увеличится за счет перехода электронов из металла в полупроводник. Этот случай называется обогащением приконтактной области.
Зонные энергетические диаграммы для всех упомянутых выше
четырех случаев контакта металла с полупроводником n-типа и p-типа
приведены на рис. 7.3.
Образовавшиеся в месте контакта металла с полупроводником
области обеднения и обогащения носителями зарядов, так же, как и
p–n-переход, будут обладать свойствами выпрямляющих и омических
контактов. Отмеченное свойство контакта металл–полупроводник
имеет существенное значение при металлизации интегральных схем и
создании омических контактов.
Если толщина слоя dp > Ld,то движение носителей зарядов в
нем подчиняется законам диффузии, что характерно для слаболегированных полупроводников. Для сильнолегированных полупроводников, когда dp < Ld, ток в контакте похож на ток в полупроводниковом диоде при небольшом потенциале на аноде. Электроны преодолевают слой против поля без столкновений. Теория
тонких запирающих слоев называется «диодной теорией», а запирающие слои – барьерами Шотки. Критериями указанных различий являются соотношения:
49
kTdp / 2eo >> 1 (диффузионная теория),
(7.7)
kTdp / 2eo < 1 (диодная теория),
(7.8)
где dp – толщина обедненного слоя,  – длина свободного пробега,
o – контактная разность потенциалов.
а
–
–– –
М
– –
n
– –
М
+
+
+ +
+ +
p
+ +
м > п
м < п
Eпо
Ec
Efn
Efм
Ec
Efм
Efp
Ev
Ev
б
М
+ –
–
+ –
– –n
– –
М
–
–
+ + +
p
+
+ + +
м < п
Efм
Ec
Efn
м > п
Ec
Efм
Efp
Ev
Ev
Рис. 7.3. Зонные энергетические структуры контакта
металла с полупроводником:
а – обеднение (запирающий контакт); б – обогащение
(антизапирающий контакт)
50
7.4. Барьер Шотки
Барьер Шотки возникает при контакте металла с сильно легированным полупроводником n-типа. Контакт металл–полупроводник
может быть как омическим, так и выпрямляющим. В выпрямляющем
контакте, который называют диодом Шоттки, m > p и электропроводность обусловлена основными носителями зарядов. В нем, по
сравнению с обычным диодом, более высокая скорость переходных
процессов, низкое напряжение отпирания, более крутая вольтамперная характеристика в положительной области. Структура диода
Шотки, его условное обозначение и вольт-амперная характеристика
представлены на рис. 7.4.
I
n+
n
0
V
Рис. 7.4. Диод Шотки
Заметим, что в обычном диоде на p–n-переходе, в отличие от диодов Шотки, скорость переходных процессов ниже, так как ток создается движением неосновных носителей. В нем выше напряжение отпирания: 0,6 В против 0,3 В для диодов Шотки.
7.5. Омические контакты
В микроэлектронике большое значение придается созданию
омических контактов с малым контактным сопротивлением. Исходя
из вышеизложенного (раздел 7.3), омические контакты образуются
при контакте металла с полупроводником, для которого работа выхода металла ниже работы выхода полупроводника n-типа и выше для
полупроводника p-типа. В частности, при алюминиевой металлизации
на кремнии широко применяется контакт Al–n+, который, кроме малого сопротивления, предотвращает акцепторное легирование приконтактной области полупроводника.
51
В последнее время хорошие омические контакты создаются при
контакте силицидов тугоплавких металлов с кремнием при последующем высокотемпературном отжиге.
7.6. Контакт двух полупроводников одинакового
типа проводимости (n–n+ и p–p+)
В контакте двух полупроводников одного типа проводимости,
но различной степени легирования (n–n+ и p–p+), как и для обычных p–n-переходов, высота потенциального барьера определяется
концентрацией основных носителей заряда. Однако в данном случае не образуется слой с малой концентрацией заряда. Поэтому
сопротивление структуры определяется ее высокоомной областью. В таком контакте происходит диффузионный перенос зарядов и не образуется двойной слой, а реализуется лишь плавный
переход от n к n+, отсутствует инжекция неосновных носителей
заряда. После установления равновесного состояния уровни Ферми выравниваются. Контакт всегда омический. Энергетическая
зонная структура такого контакта представлена на рис. 7.5.
Аналогичные характеристики имеет контакт p–p+-типа.
n
n+
n
n+
Ec
Ec
Ef
Ei
Ev
Ec
Ef
Ef
Ec
Ef
Ei
Ev
Ev
Ev
Рис. 7.5. Зонная энергетическая структура контакта полупроводников
одинакового типа проводимости
52
7.7. Контакт полупроводника с атмосферой;
эффект поля; поверхностные состояния
В ограниченных по размерам полупроводниковых кристаллах
часто происходит появление на поверхности положительного или
отрицательного заряда, например, прилипание электронов на оборванных ковалентных связях поверхностных атомов, загрязнение
поверхности в технологическом цикле и т. п., характеризуемые
как поверхностные состояния. В соответствии с условием электрической нейтральности это явление должно сопровождаться
возникновением в приповерхностном слое объемного заряда противоположного знака, нейтрализующего поверхностный заряд. В
результате приповерхностный слой полупроводника оказывается
обедненным носителями заряда одного знака с поверхностным зарядом и обогащенным носителями заряда противоположного знака. Аналогичная картина происходит и под действием электрического поля и носит название «эффекта поля». Это отчетливо иллюстрируется рис. 7.6, на котором изображена структура: полупроводник и не контактирующая с ним отрицательно заряженная
металлическая пластинка.
Область объемного заряда у поверхности полупроводника распространяется на так называемую «дебаевскую» длину экранирования
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
p

x
0
Ld
Рис. 7.6. Кривая распределения потенциала
при воздействии отрицательного заряда
на полупроводник p-типа
53
Ld, определяемую как расстояние, на протяжении которого потенциал
поля уменьшается в «e» раз.
Ld = (оkT / 2e2ni)1 / 2 =(оUT / 2e2ni)1 / 2.
(7.9)
Для примесных полупроводников при N >> ni
Ld = (оUT / 2e2N)1 / 2.
(7.10)
В качестве примера отметим, что для собственного полупроводника кремния Ld = 14 мкм, а для примесного N = 1022 см–3,
Ld = 0,04 мкм при Т = 300 К.
Концентрация электронов и дырок в приповерхностном слое
описывается выражениями
n = ni.exp[(Еf – Еi) / kT],
(7.11)
p = ni.exp[(Еi – Еf) / kT].
(7.12)
Из формул (7.11) и (7.12) следует, что если E f > Ei, (уровень
Ферми расположен выше середины запрещенной зоны), то (Ef – Ei) >
> 0, n > ni > p, и полупроводник в приповерхностной зоне обладает
электронной проводимостью независимо от типа собственной проводимости. Если E f < Ei, то (E – Ei) < 0, n < ni < p, и полупроводник
обладает дырочной проводимостью. При Ef = Ei полупроводник ведет
себя как собственный.
Таким образом, в приповерхностной зоне полупроводника
могут наблюдаться следующие процессы: обеднение, обогащение
и инверсия носителей заряда. Обеднение наступает в том случае,
когда на поверхности полупроводника появляется заряд, совпадающий по знаку с основными носителями заряда. В этом случае
поверхностный заряд как бы отталкивает в приповерхностном
слое заряды однотипного знака. Обогащение наступает в случае,
когда знак поверхностного заряда противоположен знаку основных носителей заряда в полупроводнике. Под влиянием заряда
поверхности происходит притяжение к ней заряда противоположного знака и обогащение ими приповерхностного слоя. Если к поверхности полупроводника n-типа приложен очень большой потенциал (или заряд) отрицательной полярности, или к полупроводнику p-типа положительной полярности, то в приповерхностной области образуется так называемый инверсный слой с проводимостью противоположной основной (рис. 7.7).
54
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
n
+
+
+
+
+
+
+
+
p
Ec
Ef
Ei
Ec
Ei
Ef
Ev
Ev
Обеднение
+
+
–
––
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
++
+
+
n
+
+
+
+
+
+
+
+
p
Ec
Ec
Ef
Ei
Ei
Ef
Ev
Ev
Обогащение
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+ –
++ –
–
–
n
+
+
+
+
+
+
+
+
+
p
Ec
Ec
Ef
Ei
Ei
Ef
Ev
Ev
Инверсия
Рис. 7.7. «Эффект поля» для полупроводника n-типа и p-типа
при различных зарядах на поверхности
55
Появление заряда на поверхности полупроводника вызывает
искривление энергетических зон вследствие возникновения разности потенциалов между поверхностью и объемом на глубину L d.
При заряжении поверхности отрицательным зарядом энергетические зоны искривляются вверх, т. к. при перемещении электрона
из объема к поверхности его энергия увеличивается. При заряжении поверхности положительным зарядом энергетические зоны
искривляются вниз. В инверсном слое кривая, соответствующая
середине запрещенной зоны, пересекает уровень Ферми и располагается выше его в полупроводнике n-типа и ниже в p-типа.
На явлении «эффекта поля», рассмотренного выше, работают
полевые транзисторы и МОП структуры микроэлектроники. Учитывая планарную структуру интегральных схем, эффект поля может проявиться самопроизвольно, т. е. без специально приложенного внешнего электрического потенциала, а за счет появления
зарядов на поверхности. Это явление может оказывать существенное влияние на работу и параметры ИС.
Одна из основных причин возникновения поверхностных состояний заключается в обрыве периодического потенциала на поверхности кристалла. При этом атомы, расположенные на поверхности полупроводника, ведут себя как акцепторы в связи с появлением нескомпенсированных валентных связей (рис. 7.8).
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Рис. 7.8. Образование нескомпенсированных
валентных связей на поверхности кристалла кремния
Это означает, что такие атомы способны принимать дополнительные электроны на свою внешнюю оболочку. Следовательно, в
полупроводнике возникают дополнительные квантовые состоя56
ния, в которых электроны локализованы непосредственно на самой поверхности кристалла. Таким образом, кроме объемных
энергетических уровней, образующих соответствующие зоны неограниченного по протяженности кристалла, появляются дополнительные локальные уровни, расположенные в запрещенной
зоне. Эти уровни могут заполняться электронами путем «прилипания» их на поверхности и создавать поверхностный электрический заряд, приводящий к появлению эффекта поля.
Благодаря поверхностным состояниям, может появиться возможность перемещения зарядов вдоль поверхности, что создает поверхностную проводимость.
Кроме обрыва валентных связей, дополнительной причиной появления поверхностных состояний могут быть любые дефекты поверхности, возникающие при выполнении различных технологических операций.
В реальных условиях на поверхности полупроводника одновременно могут существовать как донорные, так и акцепторные уровни
поверхностных состояний, что может привести к частичной компенсации поверхностного эффекта поля (рис. 7.9).
Ед
Еc
Еб
Еfn
Еi
Еа
Еv
SiO2
Рис. 7.9. Зонная структура полупроводника
n-типа с учетом поверхностных состояний:
Еб – энергетический уровень быстрых поверхностных
состояний; Еа и Ед – акцепторные и донорные уровни
медленных поверхностных состояний
57
Поскольку глубина проникновения поля поверхностных состояний сравнима с размерами элементов современных интегральных схем, то становится очевидной отрицательная роль
этого явления в нормальном функционировании изделий микроэлектроники. Так например, искривление энергетических зон под
воздействием поля поверхностного заряда может привести к образованию вблизи поверхности полупроводника тонкого инвер сного слоя толщиной от 0,01 до 1 мкм, электропроводность которого будет противоположной проводимости в объеме, что аналогично появлению паразитного МОП элемента. Особую опасность
представляют положительные ионы натрия, способствующие образованию инверсного слоя в кремнии p-типа.
Поверхностные состояния могут быть двух типов: быстрые,
характеризующиеся малым временем рекомбинации, и медленные с довольно большим временем рекомбинации. Быстрые поверхностные состояния фиксируются на границе кремния с диоксидом или нитридом кремния, которые используются для защиты поверхности, а медленные – на поверхности диэлектрика.
Кроме того, часть поверхностных состояний могут располагаться
внутри оксидного слоя.
58
8. АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Подавляющее большинство электронных систем как в дискретном, так и в интегральном исполнении функционирует на закономерностях процесса переноса зарядов (электронов и дырок) в
различного рода контактах, рассмотренных в предыдущей главе.
Современная интегральная схема содержит огромное количество
таких контактов в составе активных и пассивных элементов, объединенных в единую схему, выполняющую определенную функцию в процессе обработки информации. При этом следует отметить, что с позиции физики нет принципиальной разницы между
дискретными элементами полупроводниковой электроники и их
аналогами в интегральном исполнении. В обоих случаях работа активных элементов (диодов, биполярных и полевых транзисторов)
базируется на контактах статических неоднородностей величины
и типа проводимости контактирующих материалов. В основном это
полупроводниковые материалы с областями локального легирования, в приконтактных областях которых образуются объемные заряды и градиент их концентрации, порождающие внутреннее электрическое поле, под действием которого происходит диффузионное
и дрейфовое перемещение зарядов. Управлять этими процессами
можно с помощью внешнего потенциала, не устраняя при этом
первоначально созданную неоднородность проводимости.
Однако, несмотря на идентичность функционирования, структура и технология изготовления интегральных активных и пассивных
элементов существенно отличается от таковых для дискретных элементов. Одним из таковых отличий являются чрезвычайно малые линейные размеры микроэлементов, сравнимые с длиной дебаевского
экранирования и другими характерными величинами, что может стать
причиной появления размерных квантово-механических эффектов в
виде туннелирования. Это, в свою очередь, может создать непреодолимый барьер в миниатюризации.
Кроме того, в микроэлектронных системах чрезвычайно велико
взаимное влияние рядом расположенных структур, создающих так
называемые паразитные активные и пассивные элементы и нежелательные каналы перемещения зарядов.
Для системного изложения материала необходимо вначале
кратко остановиться на хорошо известных физических принципах
59
функционирования дискретных p–n-переходов, а затем перейти к
рассмотрению более сложных структур на их основе в интегральном исполнении.
8.1. Физические явления в p–n-переходе; интегральные диоды
Электронно-дырочным переходом (сокращенно p–n-переходом)
называется контакт двух областей одного и того же полупроводника с
различным типом проводимости: электронной (n) и дырочной (p). Если оба контактирующие полупроводника легированы соответственно
донорной и акцепторной примесью в одинаковой степени, то такой
p–n-переход называется симметричным. Различают плавный и резкий
p–n-переходы, в последнем концентрация донорной и акцепторной
примеси изменяется скачком. Наличие градиентов концентрации
электронов и дырок по обе стороны от металлургической границы
контакта порождает диффузионное перемещение подвижных носителей зарядов: электронов из n-области в p-область и дырок в противоположном направлении. По этой причине в приконтактных областях
возникают объемные заряды, характеризующиеся контактным потенциалом, появление которого обусловлено разноименно заряженными
неподвижными атомами донорной и акцепторной примесей. Диффузионное перемещение зарядов прекратится тогда, когда контактный
потенциал уравновесит разность работ выхода электронов и дырок в
полупроводнике n-типа и p-типа. В то же время в области объемного
заряда возникнет внутреннее электрическое поле, порождающее
дрейфовое движение неосновных носителей заряда. В условиях термодинамического равновесия диффузионный ток уравновешивается
встречным дрейфовым. Следовательно, суммарный ток через
p–n-переход окажется равным нулю:
J = JD + JE = e[ Dn(dn / dx) – Dp(dp / dx)] = 0.
(8.1)
Из равенства нулю суммарного тока следует, что контактирующие полупроводники должны характеризоваться одинаковым положением уровней Ферми в n-области и в p-области.
Таким образом, в приконтактной области создается запирающий
слой из-за обеднения подвижными носителями зарядов, в результате
чего его удельное сопротивление существенно увеличивается. Высота
потенциального барьера определяется разностью положения уровней
Ферми Efn – Efp.
60
Зонная энергетическая структура симметричного p–n-перехода в
условиях термодинамического равновесия представлена на рис. 8.1,
где указаны направления движения подвижных заряженных частиц в
области контакта, создающих диффузионные и дрейфовые составляющие плотности электрического тока.
p
n
Eо
Eо
Ec
Ec
Efn
Ei
Ei
Efp
Ev
Ev
+ –
+ –
n
а
p
jnE
Ec
jnD
Ec
Ef
Ev
Ef
jpD
Ev
jpE
nno
ppo
pno
npo
d n dp
б
Рис. 8.1. Зонная энергетическая структура полупроводников
n-типа и p-типа без контакта (а), и в условиях равновесного
контакта (б), а также распределение концентрации основных
и неосновных носителей зарядов
61
8.1.1. p–n-переход под внешним потенциалом;
интегральные диоды
Приложенное к p–n-переходу внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и соотношения между диффузионным и дрейфовым токами (рис. 8.2).
При прямом смещении, когда вектор напряженности внешнего
поля противоположен направлению внутреннего, потенциальный
+ –
+ –
n
p
Eо
jnE
eо
Ec
jnD
Ec
Ef
Ev
Ef
Равновесное
состояние
jpD
jpE
Ev
E
Ec
eо–eV
Eо
Ec
jnD
Ef
Ef
Ev
Ev
jpD
Eо
E
jnE
Ec
eо+eV
Ec
Ef
Ev
Ef
Ev
Прямое смещение
(инжекция)
Обратное смещение
(экстракция)
jpE
Рис. 8.2. Зонная энергетическая структура p–n-перехода
под внешним потенциалом
62
барьер понижается и диффузионный ток через p–n-переход становится больше дрейфового. Через p–n-переход будут проходить в
основном диффузионные токи, обусловленные движением электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.
Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей з аряда; p–n-переход считается открытым.
При обратном смещении, когда к n области подключается положительный потенциал, а к p-области отрицательный, потенциальный барьер повышается, дрейфовые токи неосновных носителей увеличиваются, и ток через p–n-переход будет обусловлен переносом неосновных носителей зарядов: электронов из p-области
и дырок из n-области. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей зарядов. Изложенное иллюстрируется рис. 8.2.
8.1.2. Интегральные диоды
На основе изолированных p–n-переходов изготавливают дискретные полупроводниковые диоды. Что касается интегральных диодов, то их базисом служат биполярные транзисторы, изготовленные
по планарной технологии путем короткого замыкания любых двух
электродов: эмиттера, базы или коллектора соответственно. На
рис. 8.3 представлены различные варианты интегральных диодов.
Э –Б К
Б Э –К
Б –Э К
Б –Э
Б –К
Рис. 8.3. Условные обозначения интегральных диодов
Приведенные схемы интегральных диодов свидетельствуют о
том, что интегральная микроэлектроника располагает гораздо большими возможностями по сравнению с дискретной. Каждая из приведенных схем интегральных диодов обладает индивидуальными параметрами барьерных емкостей, вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик.
Структурная схема интегрального диода типа БК-Э представлена
на рис. 8.4.
63
p
Э
Б
К
n+
p
n+
p
n
p
Рис. 8.4. Поперечное сечение планарной структуры
интегрального диода на базе биполярного транзистора
8.2. Физический принцип функционирования биполярного
транзистора в интегральном исполнении; контакт типа n–p–n
Биполярный транзистор является базовым элементом современных ИС. На его основе изготавливают интегральные диоды и
другие элементы. Биполярные транзисторы бывают двух типов:
n–p–n и p–n–p. Лучшими параметрами обладают структуры n–p–n,
так как подвижность электронов выше, чем дырок, а эффективная
масса меньше. Условные обозначения интегральных биполярных
транзисторов представлены на рис. 8.5.
p–n–p
n–p–n
Рис. 8.5. Условные обозначения интегральных
биполярных транзисторов
Поперечное сечение интегрального биполярного транзистора
n–p–n типа, изготовленного по планарной технологии, а также
прототип дискретного сплавного транзистора представлены на
рис. 8.6.
Принцип работы биполярного транзистора как планарного, так и
дискретного сплавного, основан на изменении сопротивления обратно смещенного p–n-перехода путем инжекции неосновных носителей
в базу. Для этого переход эмиттер-база включается в прямом направлении, а база-коллектор в обратном.
64
Э
p
К
Б
n+
p
n
К
Э
n+
p
–
n
p
n
n+
Б
p
а
б
Рис. 8.6. Поперечное сечение биполярного транзистора планарного
типа (а) и дискретного сплавного (б)
Сопротивление обратно смещенного p–n-перехода очень велико и составляет мегомы, но только для основных носителей заряда, тогда как неосновные носители «скатываются» с потенциального барьера, практически не встречая сопротивления. Поэтому при помощи инжекции носителей заряда можно увеличить ток
в обратно смещенном p–n-переходе и тем самым снизить его сопротивление. Источником инжекции могут быть: p–n-переход,
включенный в прямом направлении, инверсный слой и другие источники, выполняющие роль эмиттера. Перенос зарядов может
осуществляться путем диффузии, дрейфа, туннелирования и др.
Инжектированные в нашем случае эмиттером электроны практически без потерь проходят через тонкий слой базы, т. к. ее толщина
сравнима с диффузионной длиной электрона, и попадают в коллекторную область, где ускоряются электрическим полем, создаваемым
потенциалом коллектора.
Идея модуляции тока в обратно смещенном p–n-переходе с помощью изменения напряжения в прямо смещенном эмиттерном переходе является физической основой работы биполярного транзистора.
Это одна из самых важных идей во всей истории развития полупроводниковых приборов. Ее авторы Уильям Шокли, Джон Бардин и
Уолтер Бреттейн за это открытие удостоены Нобелевской премии по
физике.
На рис. 8.7 приведены зонные энергетические структуры биполярного транзистора n–p–n-типа как в равновесном, так и под внешним электрическим полем.
65
p
n
n
Eо
jnE
jnE
eо
jnD
jnD
eо
Ec
Ec
Ef
Ef
Равновесное
состояние
jpD
jpE
Ev
E
Ec
eо–eV
jpE
Eо
Eо
E
Ev
jnE
jnD
eо+eV
Ef
Ev
Ec
Ef
jpD
jpE
Ev
Под внешним
электрическим полем
ЭБ – прямое смещение
БК – обратное
Рис. 8.7. Энергетическая зонная структура
биполярного транзистора n–p–n-типа
Структуру биполярного транзистора можно рассматривать в
виде совмещенных двух p–n-переходов, один из которых ЭБ
включен в прямом, а второй БК в обратном направлении. Подробный анализ работы биполярного транзистора можно найти в литературе.
8.3. Физический принцип функционирования
полевого транзистора планарного типа
Название полевого транзистора позаимствовано из английского FET (Field Effected Transistors). В русском варианте МДП
(металл–диэлектрик–полупроводник)
или
МОП
(металл–
окисел–полупроводник).
Физический принцип работы полевого транзистора основан на
дрейфовом движении основных носителей зарядов вдоль канала под
66
действием приложенного электрического поля: электронов в приборах с каналом n-типа и дырок в приборах с каналом p-типа. В отличие
от биполярных транзисторов, где в переносе зарядов одновременно
участвуют как электроны, так и дырки, полевые транзисторы являются монополярными. Вторым важным отличием полевого транзистора
является то, что он управляется электрическим полем. Приложенное к
структуре напряжение не вызывает в ней сквозного тока, чему препятствует диэлектрик, а лишь приводит к появлению электрического
поля и поверхностного заряда на границе между диэлектриком и полупроводником, что создает своеобразный «эффект поля», под действием которого в приповерхностной области полупроводника под
затвором между истоком и стоком инверсный канал. Этим обусловлено название полевого транзистора.
На базе полевых транзисторов создан целый класс различных интегральных схем, в частности, запоминающие устройства, работающие на основе накопления зарядов малыми внутренними емкостями, а
также интегральные конденсаторы большой емкости и др. Интегральные схемы на базе полевых транзисторов более экономичны, так как
технология их изготовления требует меньшего числа технологических
операций по сравнению с биполярными ИС, входное сопротивление
их очень велико.
Существуют три группы полевых транзисторов n-типа и p-типа
соответственно: МОП с индуцированным и со встроенным каналом и
с управляющим p–n-переходом. Их структура в интегральном исполнении и условные обозначения представлены на рис. 8.8.
Рассмотрим принцип работы наиболее распространенного
интегрального полевого транзистора с индуцированным каналом
на базе структуры МОП (алюминий–диоксид кремния–
полупроводник p-типа), структура и энергетическая зонная модель которого приведены на рис 8.9.
В его структуре использована подложка из монокристаллического кремния p-типа, легированного бором с концентрацией 1015 см–3.
На поверхности подложки методом высокотемпературного оксидирования создан диэлектрический слой SiO2, толщиной 40 – 100 нм. Поверхность оксида покрыта слоем алюминия толщиной 1 мкм, играющего роль затвора. По обе стороны затвора созданы омические контакты истока и стока с полупроводником.
67
И
n+
С
З
С
n-канал
n+
+
З
И
p
1
И
p+
–
З
–
p-канал
С
С
p+
З
И
n
2
И
n+
–
С
С
З
+
n-канал
n+
З
И
p
3
И
p+
+
З
–
p-канал
С
С
p+
З
И
n
4
И
+
З
n
С
С
p
З
n
И
5
И
–
З
p
С
С
n
З
p
И
6
Рис. 8.8. Структура и обозначения интегральных полевых транзисторов:
1, 2 – с индуцированным каналом; 3, 4 – со встроенным каналом;
5, 6 – с управляющим p–n-переходом n-типа и p-типа соответственно
68
Al
SiO2
p
Ec
V=0
Ei
Efp
Ev
Efм
Al
+
SiO2 + +
+
p
Ec
Режим
обеднения
Efp
Ev
V>0
Efм
Al
Равновесное
состояние
SiO2
–
+
– + +
–
+
p
Ec
Инверсный
режим
Efp
Ev
V>>0
Efм
n-канал (инверсия)
Рис. 8.9. Структура и энергетическая зонная модель
интегрального полевого транзистора
Напряжение, приложенное между затвором и подложкой, на
принципе «эффекта поля» в зависимости от полярности и величины может создавать в приповерхностном слое режим обогащения
69
при V < O, обеднения при V > O и инверсии при V >> O. В последнем случае между истоком и стоком формируется сплошной
токопроводящий n-канал. Эти режимы, включая равновесное состояние, иллюстрируются на рис. 8.9.
Приведенные зонные диаграммы полевого транзистора составлены в предположении, что диэлектрик не содержит зарядов, а алюминий и кремний имеют одинаковую работу выхода, поэтому их уровни
Ферми совпадают. Причины искривления энергетических зон в приповерхностном слое полупроводника обусловлены эффектом поля.
Отметим, что инверсный токопроводящий канал образуется при условии, когда к затвору прикладывается знак потенциала идентичный
типу проводимости подложки, а его величина должна быть выше пороговой и обеспечивать режим инверсии.
Принцип работы полевого транзистора со встроенным каналом и
изолированным затвором базируется на явлении обеднения концентрации носителей заряда в токопроводящем канале под действием потенциала затвора.
Работа полевого транзистора с управляющим p–n-переходом базируется на управлении дрейфовым движением электронов или дырок
в канале обратно смещенного p–n-перехода.
В общем случае параметры интегрального полевого транзистора
определяются подвижностью носителей зарядов в канале, его длиной
и другими характеристиками.
8.4. Пассивные элементы микроэлектроники
В микроэлектронике, как и в дискретной электронике, значительное место занимают пассивные элементы: интегральные резисторы и интегральные конденсаторы. Что касается индуктивности, то,
учитывая специфику планарной технологии и микронные размеры
элементов, эти элементы используются только в гибридных интегральных схемах. Несмотря на функциональную схожесть дискретных и интегральных пассивных элементов, технология их производства существенно различна.
8.4.1. Интегральные полупроводниковые резисторы
В современной микроэлектронике наибольшее распространение
получили так называемые диффузионные полупроводниковые рези70
сторы, изготовляемые методом диффузионной технологии одновременно с формированием базовой области биполярных транзисторов.
Сопротивление диффузионного резистора равно:
R = vl / Ldd,
(8.2)
где v – удельное сопротивление диффузионного слоя, Ld– глубина
диффузии, l – длина диффузионного слоя, d – ширина диффузионного слоя.
Если ввести понятие удельного сопротивления слоя («сопротивление на квадрат»), то
R = sl / d.
(8.3)
Структура интегрального полупроводникового резистора представлена на рис. 8.10.
p
R
R
n
Рис. 8.10. Структура интегрального полупроводникового резистора
Диффузионные резисторы могут быть изготовлены на основе
любой из структурных элементов биполярного транзистора, МОП
структур, а также путем локального легирования области полупроводника.
В гибридных интегральных схемах резисторы изготовляются, как
правило, в процессе металлизации.
8.4.2. Интегральные полупроводниковые конденсаторы
В микросхемах формируются, в основном, два типа конденсаторов: на основе p–n-переходов (диффузионные) и окисные со структурой МДП. Диффузионные конденсаторы основаны на использовании
барьерной емкости обратно смещенного p–n-перехода. В качестве диэлектрика выступает область объемного заряда p–n-перехода толщи71
ной dn, которая зависит от концентрации носителей заряда, высоты
потенциального барьера и приложенного напряжения:
dn – [ 2о(Епо + eV / noe)]1 / 2,
(8.4)
где dn имеет смысл глубины проникновения контактного поля в полупроводнике.
Поскольку интегральная емкость через dn зависит от приложенного внешнего потенциала V, то она приобретает смысл варикапа.
При планарной технологии интегральные емкости изготавливаются
одновременно с другими компонентами и не требуют дополнительных операций. Структура интегрального конденсатора на базе МОП
структуры представлена на рис. 8.11.
З
n+
n-канал
n+
p
Рис. 8.11. Структура интегрального конденсатора
Обкладками конденсатора являются затворная часть металлизации и n-канал, а диэлектриком служит диоксид кремния.
Таблица 8.1
Параметры диффузионных и МОП конденсаторов
Параметры
Емкость, пф
Напряжение пробоя, В
Добротность
Диффузионные
конденсаторы
до 300
7 – 50
1 – 10
МОП конденсаторы
до 600
50
10 – 100
8.4.3. Паразитные элементы в микроэлектронных структурах
Свойственная современной микроэлектронике тенденция миниатюризации, то есть уменьшение линейных размеров элементов интегральных схем и увеличение плотности упаковки, привели к появле72
нию негативных явлений в виде «паразитных» активных и пассивных
элементов. Так, в биполярном транзисторе планарного типа появляется дополнительный транзистор противоположной полярности (изображен пунктиром на рис. 8.12). Обычно его коэффициент усиления
небольшой, тем не менее его присутствие не может не сказаться на
работе интегральной схемы.
Э
+
p
n
Б
К
p
n+
n+–p–n+
p
p–n–p
n
p
Рис. 8.12. Основной (n+–p–n+) и паразитный (p–n–p) транзисторы
в интегральной структуре биполярного транзистора
Аналогичные явления можно усмотреть и в схеме планарного
МОП транзистора, где исток и сток шунтируются паразитным транзистором, а к затвору присоединена большая паразитная емкость, изображенная на рис. 8.11. Даже простой полупроводниковый резистор,
изготовленный на базовой области биполярного транзистора, обрастает незапланированными элементами (рис. 8.13).
R1
R
+
p
n
R
p
+
n
n
p
R3
R2
C1
p
C2
Рис. 8.13. Полупроводниковый резистор с паразитными резистивными
и емкостными элементами
73
Число паразитных элементов можно уменьшить путем частичного их использования в комбинированных схемах, например, полупроводникового резистора, интегрального диода и барьерной емкости на базе биполярного транзистора, как это показано
на рис. 8.14.
Э
p
n+
R
Б
К
p
n+
p
n
p
Рис. 8.14. Полупроводниковый интегральный резистор, интегральный диод и барьерная емкость на базе биполярного транзистора n–p–n-типа,
а также сопутствующие паразитные элементы
Такого рода решение проблемы паразитных элементов является несомненно весьма сложной схемотехнической задачей, требующей не только сложных схемных решений, но и высокоточного технологического обеспечения, позволяющего с высокой степенью воспроизводить параметры всех элементов интегральных
микросхем.
74
9. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
9.1. Классификация технологических процессов
Современная микроэлектроника базируется на интеграции
схемотехнических, конструкторских и технологических решений
при создании основных изделий микроэлектроники – интегральных микросхем. При этом следует отметить, что качество этих
изделий в основном определяется уровнем технологических процессов.
В основу технологии микроэлектроники положен интегрально-групповой принцип, предусматривающий одновременное формирование большого числа элементов в неразделенном состоянии
на общей подложке, где каждый элемент создается как интегральный результат обработки участков исходного материала и придания ему свойств в соответствии с функциональным назначением
интегральной схемы.
Таким образом, отличительной особенностью современной технологии микроэлектроники является:
 планарное размещение элементов при одноуровневой или
многоуровневой интеграции (отсюда название «планарная технология»);
 групповой метод изготовления однотипных элементов и интегральных схем;
 схемотехническая интеграция, т. е. одновременное изготовление
активных и пассивных элементов и соединений между ними.
Достоинством такой технологии является высокая степень интеграции (плотности элементов), одинаковость параметров однотипных
элементов, быстродействие, обусловленное субмикронными размерами элементов, надежность функционирования и, наконец, относительно низкая стоимость изделий в целом.
Весь технологический цикл изготовления интегральных схем
среднего уровня интеграции содержит более сотни отдельных процессов, включающих механическую, физическую и химическую обработку полупроводниковых и других материалов, проводимых в
жидких и газообразных средах при различных внешних условиях. Поэтому классификация этих процессов весьма затруднительна.
75
Наиболее простым способом представляется подробный перечень отдельных операций в их логической последовательности, именуемый на производстве технологическим маршрутом.
Если ограничиться технологией полупроводниковой микроэлектроники, то весь технологический цикл включает четыре последовательных этапа:
 проектирование, т. е. создание принципиальной и технологической
схем; этот этап обычно выполняется конструкторским бюро с
использованием типовых компьютерных программ отдельных операций;
 подготовительные операции; они выполняются с учетом рекомендаций проектантов и содержат последовательность следующих
технологических операций: выращивание методом Чохральского
монокристалла полупроводника в форме цилиндра заданного диаметра; нарезка пластин с заданной ориентацией кристаллической
решетки; шлифовка и полировка пластин; заготовка фотошаблонов
для процессов фотолитографии; заготовка необходимых химикатов
и газов для обработки поверхности;
 обрабатывающие операции, в процессе выполнения которых в
определенной последовательности производится наращивание эпитаксиального слоя с заданным типом проводимости, нанесение диэлектрических и проводящих слоев, легирование путем диффузии и
ионной имплантации, термообработка, сплошное и размерное травление, а также ряд промежуточных операций в виде промывки и
сушки пластин в инертных газах; при этом некоторые операции
многократно повторяются, например, процесс фотолитографии, с
помощью которой создается определенный топологический рисунок схемы; в процессе изготовления серии однотипных интегральных схем выполняется до десятка литографий; при необходимости
проводится промежуточный и обязательно финишный контроль на
предмет функционирования интегральных схем непосредственно
на пластине;
 заканчивается технологический цикл рядом завершающих операций: разделение пластин путем скрайбирования на «чипы» – монокристаллы с готовыми интегральными схемами, монтаж кристаллов в корпуса, разводка и пайка выводов, герметизация, механические, электрические и климатические испытания, разбраковка
и маркировка готовых изделий.
76
Приведенная выше производственная классификация технологических процессов крайне громоздка и не позволяет проводить анализ
отдельных процессов на предмет их совместимости на базе общих
физико-химических принципов.
Исходя из вышесказанного, предлагается физическая классификация технологических процессов. Она более проста и наглядна.
В основу физической классификации положены физикохимические процессы, используемые при проведении данной конкретной операции. При таком подходе все технологические процессы,
перечисленные выше, укладываются в три группы: нанесение тонких
слоев, удаление тонких слоев и модификация проводимости приповерхностного слоя кристалла, на базе которого реализуется создаваемая интегральная схема.
Достоинством приведенной классификации является то, что каждому из блоков отнесены преимущественно однотипные по физикохимическому способу реализации технологические процессы. Так,
например, нанесение различных диэлектрических или проводящих
слоев отличается только наносимым материалом и физическими параметрами нанесенного слоя. То же самое можно сказать и по блоку
удаления тонких слоев, которое может реализоваться на однотипном
оборудовании с использованием реагентов в виде жидкостей или газо-плазменных сред. Оптимальный режим и качество процессов реализуется путем подбора и поддержания на определенном уровне технологических параметров.
Исходя из предлагаемой физической классификации, рассмотрим
некоторые технологические операции, акцентируя внимание на физико-химических процессах, лежащих в их основе.
9.2. Нанесение тонких пленок для целей микроэлектроники
В микроэлектронике широко используются тонкие слои микронной толщины и меньше (тонкие пленки). Выбор материала
пленки и подложки, способ нанесения, а также механические,
электрические и оптические параметры наносимых слоев определяются их назначением.
Исходный материал может быть в жидком, твердом или газообразном состоянии.
77
Не вдаваясь в технические подробности различных способов
нанесения тонких пленок, которые легко найти в доступной литературе и на которую будут даны соответствующие ссылки, ограничимся
их краткой характеристикой и перспективой дальнейшего развития.
9.2.1. Нанесение фоторезиста для фотолитографии
Фоторезист (ФР) представляет собой светочувствительное органическое вещество, используемое в планарной технологии микроэлектроники в качестве защитной маски при избирательном вытравливании окон (рис. 9.1) в диэлектрических пленках SiO2 или Si3N4 для
проведения избирательной диффузии в полупроводниковую пластину, а также в пленке Al в процессе металлизации.
1
p
5
2
6
3
7
4
8
n
p
Рис. 9.1. Фотолитографический процесс при создании
планарного p–n-перехода:
1 – исходная полупроводниковая пластина; 2 – нанесение диэлектрической пленки SiO2;
3 – нанесение фоторезиста; 4 – экспонирование фоторезиста через фотошаблон; 5 – проявление фоторезиста; 6 – избирательное плазменное травление SiO2 через маску фоторезиста; 7 – диффузия примеси через маску SiO2; 8 – удаление пленки фоторезиста
Роль фоторезиста в фотолитографическом процессе наглядно
иллюстрируется последовательностью технологических операций
78
при создании планарного p–n-перехода (рис. 9.1). Интересующий
нас процесс удаления задубленного фоторезиста изображен
операцией 8.
Защитная маска фоторезиста должна быть стойкой к реакционной среде, с помощью которой производится травление SiO2. Отметим, что фоторезист первоначально был разработан и использовался в
жидкостно-химическом травлении. Он оказался стойким и в плазменной технологии травления.
Структурная формула одного из наиболее распространенных
отечественных фоторезистов ФП-РН-7 и его наполнителя (новолака)
представлены на рис. 9.2.
O
O
N2
N2
I
I
CH3
OO2 S
C
SO2 O
CH3
I
I
OH
OH
CH2
Новолак, наполнитель
n
Рис. 9.2. Структурная формула позитивного фоторезиста ФП-РН-7
Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивный фоторезист (ФП) удаляется с экспонированных ультрафиолетом участков в жидком травителе, так как под действием света
разрушаются отдельные связи между атомами. Негативный фоторезист (ФН) в экспонированных участках полимеризуется и при
травлении с этих участков не удаляется. ФП дает позитивное
79
изображение фотошаблона, а ФН – негативное. ФП обладает
большим разрешением по сравнению с ФН; последний является
более чувствительным.
Наиболее простым способом нанесения фоторезиста является
центрофугирование. В центр поверхности быстро вращающейся
пластины наносится капля жидкого фоторезиста, которая затем под
действием центробежных сил равномерно растекается тонким слоем по всей пластине. Варьируя скорость вращения пластины, температуру и плотность фоторезиста, получают микронные по толщине слои, которые после сушки используются для проведения фотолитографического процесса. Единственным недостатком данного
способа нанесения фоторезиста является его несовместимость с последующими вакуумно-плазменными процессами, доминирующими в настоящее время, что затрудняет автоматизацию всего технологического цикла. К сожалению, «сухих» способов нанесения
тонких слоев с характеристиками фоторезиста пока нет.
9.2.2. Эпитаксия
Под эпитаксией подразумевают ориентированный рост кристаллического слоя на подложке. Само слово «эпитаксия» происходит из
двух греческих слов: epi – над и taxis – упорядочивание.
Эпитаксиальное наращивание полупроводникового слоя является
одной из первых технологических операций, ибо в нем в последствии
формируется вся интегральная схема. Причиной изобретения эпитаксии явилась необходимость наращивания монокристаллического слоя
на подложку с одновременным легированием для создания соответствующего типа проводимости. Толщина эпитаксиального слоя составляет несколько микрон. Возможные сочетания типа проводимости кремниевой подложки и эпитаксиального слоя приведены ниже на
рис. 9.3.
Различают гомоэпитаксию, или автоэпитаксию, например, наращивание Si на Si, и гетероэпитаксию - наращивание кристаллического
полупроводникового слоя на подложку из другого материала.
Эпитаксия отличается от выращивания полупроводниковых кристаллов методом Чохральсого тем, что она реализуется при более
низких температурах, существенно ниже температуры плавления полупроводника, а рост слоя происходит не из расплавленного полупро80
n+
p
n
n
n
n
n–
n+
p+
n
p
p
p
p
p–
p+
Рис. 9.3
водника, а из газовой среды или жидкого раствора полупроводникового соединения.
Кроме газо-фазовой эпитаксии, возможна жидкостная и наиболее
прогрессивная в настоящее время – молекулярно-лучевая эпитаксия.
Сравнительные параметры названных эпитаксиальных процессов
приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1
Сравнительные параметры газофазной, жидкостной
и молекулярно-лучевой эпитаксии
Вид эпитаксии
Наращиваемый
слой
Т, оС
Газофазная
эпитаксия
Si на Si, Ge на
Ge, Si на сапфире
1000
–
1200
Жидкостная
эпитаксия
Гетеропереходы на основе GaAs и
др.
800
Молекулярно-лучевая
эпитаксия
Любые сочетания полупроводниковых
материалов
в
твердом виде
400 –
800
Скорость
наращивания
Физический
принцип
элитаксии
Газовые среды
SiH4
+B2Cl4
(PH3);
SiCl4+
B2Cl4 в газе носителе H2
Жидкий раствор
полупроводникового материала
0,1 –
0,5
мкм/
мин.
Формирование
монокрсталлического слоя из
компонент газовой среды
Из жидкого раствора на основе
эффекта Пельтье
Потоки
частиц
полупроводника
и леганда при
физическом распылении твердого тела
0,01
мкм/
мин
Исходные
материалы
81
–
Из потоков независимых источников в вакууме
(10–6 Па)
Схемы реактора и процесса эпитаксии приведены на рис 9.4.
Наращивание эпитаксиальных слоев проводится обычно
групповым способом при непрерывной прокачке смеси газов
SiH4 + PH2 в газоносителе H2 при индукционном нагреве реакционной кварцевой камеры.
Предположительно механизм газо-фазного эпитаксиального
наращивания кремния выглядит следующим образом. Молекулы соединения полупроводникового материала (SiH4 или SiCl4), разбавленные газом носителем (H2), диффундируют к поверхности подложки (Si), нагретой внешним индуктором до высокой температуры
(1150 – 1300 оС), распадаются на радикалы и свободные атомы и под
действием полей поверхностных атомов подложки создают зародыши
эпитаксиального монослоя. Процесс активации газовой среды происходит, в основном, в объеме газа вблизи поверхности.
При благоприятных условиях (большая подвижность атомов
кремния и возможность рассеяния освобождающейся скрытой теплоты кристаллизации и теплоты реакции) происходит рост монослоя
вдоль поверхности подложки, а затем и последующих слоев, повторяющих кристаллическую ориентацию подложки. Этот процесс возможен только при наличии подложки.
1
4
5
3
2
1000 oC
SiH4 + PH2  Si + P + H2
Si-n
Si
Рис. 9.4. Газофазная эпитаксия в реакторе горизонтального типа
(метод открытой трубы) в среде моносилана и фосфина:
1 – индуктор (ВЧ нагреватель), 2 – кварцевая труба, 3 – подложки,
4 и 5 – ввод и вывод газовой среды
82
В заключение отметим, что весь процесс газофазной эпитаксии
содержит не менее десяти различных технологических операций.
При жидкостно-электролитической эпитаксии (рис. 9.5) подложка обычно находится в термическом равновесии с жидким раствором.
Осаждение происходит вследствие локального пересыщения раствора
за счет понижения температуры на границе подложка–раствор при
прохождении электрического тока (эффект Пельтье).
1
–T
2
3
4
T
To
Рис. 9.5. Жидкостно-электролитическая эпитаксия:
1 – верхний электрод; 2 – раствор полупроводникового
материала и легирующей примеси; 3 – эпитаксиальный слой;
4 – подложка
Молекулярно-лучевая эпитаксия основана на химической реакции в конденсате молекулярных пучков из независимых источников в вакууме (p  10–6 Па). Основным преимуществом данного
метода перед упомянутыми выше – это более низкая рабочая температура (400 – 800 оС) и возможность создания сложных гетероструктур, например:
p-AlxGa1-xAs / p-GaAs / n-AlxGa1-x.
(9.1)
Схема молекулярно-лучевой эпитаксии представлена на
рис. 9.6.
Независимость источников исходных компонентов дает широкие
возможности создания гетероструктур сложного состава. Отметим,
что МЛЭ является наиболее перспективным методом элитаксии в
настоящее время.
83
1
2
3
4
5
6
Рис. 9.6. Схема молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ):
1 – нагреватель подложки; 2 – подложка; 3 – эпитаксиальный слой;
4 – электронная пушка; 5 – источник полупроводникового материала (Si);
6 – источник легирующей примеси
9.2.3. Осаждение диэлектрических слоев
В полупроводниковой микроэлектронике при создании биполярных и МОП транзисторов в силу технологической целесообразности
наибольшее распространение получили слои оксида (SiO2) и нитрида
(Si3N4) кремния, обладающих маскирующими, диэлектрическими,
изолирующими и защитными свойствами. Эти слои используются для
изоляции элементов, в качестве подзатворного диэлектрика в МОП
транзисторах, в качестве диэлектрика в МДП конденсаторах, в качестве маски при локальной диффузии, межслойной изоляции и, наконец, в виде планаризирующего слоя в многоуровневых ИС.
Получение слоев SiO2 и SI3N4 совместно с литографией составляют основу планарной технологии ИС.
Кроме названных диэлектрических соединений, в микроэлектронике используются пленки Al2O3 и планаризующие диэлектрики в
виде боро-, фосфоро- и борофосфоросиликатного стекла.
Способов осаждения диэлектрических пленок довольно много,
однако все их можно подразделить на две групп:
 методы, основанные на химической реакции при взаимодействии
материала подложки с окислителем; типичным представителем
указанного способа является термическое окисление кремния; отметим, что пластина кремния при контакте с воздухом даже при
комнатной температуре покрывается тонким слоем SIO2 прядка нескольких десятков ангстрем;
84
 методы, основанные на формировании диэлектрической фазы на
подложке при поставке компонентов из внешней среды, т. е. без
использования материала подложки, например, осаждение SiO2 путем пиролиза силана в кислородной среде.
Примером первого способа может быть сухое окисление кремния, химическая реакция которого протекает следующим образом:
1300 оС
Si + O2
 SiO2.
(9.2)
Пленка SiO2 образуется за счет материала полупроводника.
Недостатком этого метода являются: высокая температура процесса, низкая скорость (менее 1 мкм/час) и, главное, невозможность получения относительно толстых слоев окисла, т. к. первоначальный слой окисла препятствует дальнейшей диффузии кислорода, что ограничивает скорость роста пленки, постепенно сводя ее к нулю.
Возможно жидкостное окисление кремния в парах воды при относительно низкой температуре и большой начальной скорости. Однако качество таких пленок невысокое.
Si + 2Н2О  SiO2 + 2Н2.
(9.3)
Примером второго способа нанесения диэлектрических пленок
является наращивание пленки SiO2 из газовой фазы, например, путем
пиролиза силана.
500 оС
SiH4 + О2  SiO2 + 2Н2.
(9.4)
Как видно из химической формулы, процесс реализуется при
значительно более низкой температуре, а скорость роста пленки постоянна при неизменной концентрации силана и кислорода. Скорость
роста пленки окисла порядка 0,1 мкм/мин.
Осаждение SiO2 может проходить как при атмосферном, так и
при пониженном давлении. Возможно одновременное легирование
пленок SiO2, например, при получении боро- или фосфоросиликатных
стекол, используемых при планаризации рельефа поверхности.
Процесс осаждения и параметры полученных пленок SiO2 зависят от многих технологических факторов: температуры, концентра85
ции реагентов, давления и др. и, конечно, от способа осаждения.
Наиболее перспективным считается плазменный с использованием
тлеющего разряда низкого давления на постоянном или переменном
токе, температура газовой среды которого не превышает нескольких сотен градусов.
Стехиометрический нитрид кремния (Si 3N4), обладает лучшими защитными свойствами в кремниевой технологии по сравнению с SiO2. Он представляет собой надежный барьер против
диффузии ионов натрия и молекул воды, которая может привести
к коррозии металлизации интегральных схем или к нестабильности электрических параметров. Он используется при локальном
окислении кремния в качестве дополнительной маски при литографии и в ряде других случаев. Осаждение нитрида кремния
осуществляется за счет химической реакции паров силана и аммиака при температуре 800 – 900 оС, а также в реакции дихлорсилана с аммиаком при температуре 700 – 800 оС.
3SiН4 + 4NH3  Si3N4 +12 Н2
(9.5)
3SiCl2H2 + 4NH3  Si3N4 + 6HCl + 6Н2.
(9.6)
Следует отметить, что процесс осаждения Si3N4 более сложный
по сравнению с SiO2. Например, не наблюдается рост пленки нитрида
кремния в аммиачной атмосфере на кремниевой пластине даже при
температурах в пределах 1000 – 1100 оС.
Химически осажденный нитрид кремния представляет собой
аморфный диэлектрик, содержащий до 80 % водорода.
Как и в случае осаждения пленок SiO2, весьма перспективен
плазменный метод, позволяющий формировать слои Si3N4 при температуре подложки в пределах 250 – 350 оС.
Плазма, созданная ВЧ разрядом низкого давления, является хорошим катализатором реакции синтеза азота и кремния, а также других соединений.
Сравнительные параметры пленок SiO 2 и Si 3 N 4 , осажденных
парогазовым и плазмо-химическим методами, представлены в
табл. 9.2.
86
Таблица 9.2
Свойства диэлектрических пленок, полученных различными
способами осаждения [5]
Окисел кремния (SiO2)
Параметр
Температура осаждения,
o
C
Состав
Плотность, г.см–3
Коэффициент преломления
Электрическая
прочность, x106, В.см–1
Удельное
сопротивле.
ние, Ом см
Упругие
напряжения
сжатия, ГПа
Упругие
напряжения
растяжения, ГПа
Диэлектрическая постоянная
Структура
Энергия активации, эВ
Нитрид кремния (Si3N4)
Плазмохимический
Парогазовый
Плазмохимический
Парогазовый
200 – 350
SiOH
2,0
700
SiO2
2,2
260 – 350
SixNyHz
2,4 – 2,8
700 – 800
Si3N4
2,9 – 3,1
1,47
1,46
1,8 – 2,5
2,1
3–6
10
5
10
1015
1017
106–1015
1016
30
10
20
30
3,8
аморфная
0,4
10
аморфная
0,4
5
100
6–9
аморфная
1,8
6–7
аморфная
1,8
9.2.4. Осаждение токопроводящих пленок; металлизация
Под металлизацией в планарной технологии микроэлектроники
понимают создание тонких металлических полосок микронных размеров по толщине и ширине, выполняющих роль внутрисхемных соединений и омических контактов с элементами ИС. Этот процесс реализуется путем напыления на поверхность полупроводниковой пластины с готовой интегральной схемой сплошной металлической
пленки, в которой методом литографии и размерного травления формируются токопроводящие каналы.
Для металлизации используют различные металлы и их сплавы,
однако исторически так сложилось, что в кремниевых ИС в силу различных причин наибольшее распространение получил алюминий благодаря его технологичности в этом процессе. Это, прежде всего, возможность применения термического испарения в вакууме, благодаря
87
низкой температуре плавления алюминия. Кроме того, алюминий за
счет частичного растворения в кремнии позволяет создавать контакты
с кремнием как n-типа, так и p-типа. Алюминий не образует с кремнием хрупких соединений, имеет высокую проводимость, широко распространен и относительно дешев.
Однако алюминий не универсален в плане металлизации, имеет
ряд существенных недостатков, о которых будет сказано ниже, и что
побуждает поиск новых материалов для металлизации.
Существует несколько способов нанесения качественных металлических пленок, удовлетворяющих требованиям технологии в микроэлектронике. Однако, в случае алюминиевой металлизации первоначально наибольшее распространение получил метод термического
испарения в вакууме, сущность которого не требует специального пояснения, а технические детали этого процесса можно найти в соответствующей литературе. Этот метод удовлетворяет требования по скорости нанесения, сплошности покрытия и ряду других параметров.
Однако он не пригоден для нанесения пленок из тугоплавких металлов и их сплавов в силу высоких температур плавления и испарения;
обладает недостаточной адгезией.
Пригоден и находит ограниченное использование в технологии
метод катодного испарения. Он позволяет получать пленки любых
металлов и их сплавов, однако скорость нанесения покрытия мала.
Кроме того, подложка подвергается воздействию высокоэнергетичных ионов, создающих радиационные дефекты.
В настоящее время наибольшее распространение получил метод
магнетронного распыления. Он является усовершенствованным вариантом диодных систем катодного распыления. Причиной его появления явилось стремление повысить скорость осаждения в катодном
распылении и снизить радиационное воздействие на элементы схемы
в подложке. В магнетронных системах на постоянном токе используется режим аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления обеспечивается за счет локализации плазмы у поверхности распыляемой мишени путем наложения скрещенных электрического и
магнитного полей.
Магнетронный метод пригоден для нанесения пленок из любых
металлов и их сплавов вне зависимости от их индивидуальных параметров. Он характеризуется низкой рабочей температурой, хорошей,
88
причем управляемой адгезией к любым подложкам, совместим с другими технологическими вакуумно-плазменными процессами, допускает проведение предварительной очистки поверхности и сплошного
травления без разгерметизации камеры.
Физическая схема магнетронного распыления при нанесении
тонких пленок представлена на рис 9.7.
7
1
2
3
11
+
4
10
E
–
H
9
S
5
S 6
N N
8
Рис. 9.7. Схема магнетронного нанесения тонких пленок:
1 – подогреватель подложки; 2 – подложка; 3 – напыляемая пленка;
4 – кольцевой анод; 5 – распыляемый катод; 6 – постоянные магниты,
создающие неоднородное магнитное поле вблизи катода; 7 – ввод газа
носителя и реакционных газов; 8 – откачка реакционной камеры;
9 – тороидальный объемный заряд с повышенной плотностью положительных ионов и электронов; 10 – металлический корпус реакционной
камеры; 11 – поток осаждаемого материала
Принцип работы магнетрона заключается в следующем. Реакционная камера предварительно откачивается до давления порядка
10–3 Па, затем производится напуск газа носителя (Ar) и устанавливается рабочее давление в камере при непрерывной откачке и напуске
аргона порядка 10–2 Па так, чтобы длина свободного пробега электрона была меньше линейных размеров реакционной камеры. Под действием приложенного постоянного электрического потенциала между
катодом и анодом зажигается тлеющий разряд, генерирующий ионы
аргона. Положительные ионы аргона, ускоренные в прикатодной области, выбивают атомы из распыляемой мишени, которые достигают
подложки и конденсируются на ней.
89
Специфика катодного распыления в магнетроне заключается
в том, что в прикатодной области время жизни электронов велико,
т. к. попавшие в неоднородное магнитное поле с наложенным
электрическим, электроны «навиваются» на магнитные линии и не
могут покинуть эту область. Таким образом, в прикатодной области создается тороидальный объемный заряд с повышенной плотностью электронов и ионов аргона. Последние усиленно бомбардируют катод и создают достаточно плотный поток атомов распыляемого материала катода, конденсирующийся на подогреваемой
подложке. Подогрев подложки создает благоприятные условия
для конденсации. Кинетическая энергия выбитых атомов регулируется ускоряющим потенциалом ионов, что обеспечивает необходимую адгезию конденсата к подложке.
При использовании составного катода можно получать композиционные пленки заданного компонентного состава.
Повысить качество металлизации можно путем применения
многослойной металлизации. В двухслойной металлизации нижний слой должен обеспечивать хорошую адгезию, например к Si,
и создавать хороший омический контакт. Этому требованию хорошо удовлетворяют тугоплавкие металлы: W, Mo, и др. – способные восстанавливать Si из SiO2, создавая тонкий слой силицида тугоплавкого металла, имеющего низкое контактное сопротивление (табл. 9.3). Верхний слой является основным токонесущим.
Таким образом, создается двухслойная металлизация с нижним
контактным и верхним токонесущими слоями. Эти два слоя не
должны диффундировать друг в друга. В качестве верхнего слоя
наиболее подходящим является золото.
Кроме силицидов, методом магнетронного распыления можно
наносить многокомпонентные слои типа оксидов, нитридов, карбидов и др. Для этого используют реактивное распыление, при котором в реакционную камеру, кроме инертного газа носителя, добавляют химически активные газы типа N2, О2, С2. Распыляемый
материал катода, взаимодействуя с этими газами, позволяет наносить тонкие слои типа SiO2, Si3N4, TiN, TaN и др., широко используемые в микроэлектронике.
В настоящее время в технологии металлизации существует ряд
нерешенных проблем. Это, прежде всего, равномерное по толщине
90
покрытие ступенчатого рельефа, воспроизводимость компонентного
состава, электромиграция металлических дорожек и многие другие,
особенно при создании наноразмерных структур.
Таблица 9.3
Удельное сопротивление силицидов
тугоплавких металлов различной структуры
и алюминия при Т = 300 К
Удельное сопротивление, мкОм.см
Наносимый
материал
TiSi2
ZrSi2
HfSi2
TaSi2
MoSi2
WSi2
CoSi2
NiSi2
PtSi2
Al
Составная мишень
металл–поли Si
Совмесное
распыление
двух мишеней
13 – 16
35 –40
45 – 50
35 – 45
–
–
17 – 20
50
28 –35
2,7
25
–
–
50 – 55
100
70
25
50 – 60
–
9.3. Вакуумно-плазменная технология в микроэлектронике
9.3.1. Классификация и алгоритм процессов плазменного травления
Согласно физической классификации технологических процессов в производстве интегральных схем, наряду с нанесением тонких
слоев, рассмотренных в предыдущих параграфах, выполняется много
операций, связанных с удалением поверхностных слоев. Эти процессы можно характеризовать общим термином «травление».
Процесс травления может быть сплошным, т. е. по всей поверхности обрабатываемой пластины, или размерным, на отдельных не
защищенных маской участках поверхности. Сплошное травление
обычно имеет место при очистке поверхности перед основной операцией, например, перед эпитаксией для снятия тонкого естественного
91
слоя SiO2 c кремниевых пластин. Размерное травление проводится
при вскрытии незащищенных участков поверхности соответствующей
маской, например фоторезиста, для вытравливания окон в SiO2 или
Si3N4 для последующей избирательной диффузии.
Сам процесс травления может быть жидкостно-химическим или
вакуумно-плазменным. В основу классификации положено агрегатное
состояние среды как инструмента травления. В производственной
терминологии первый вид называют «мокрым», а второй «сухим».
Технологический процесс травления, независимо от способа реализации, характеризуется следующими параметрами: скоростью травления; анизотропией, т. е. отношением скорости травления вглубь по
отношению к боковому растраву; селективностью, т. е. отношением
скоростей травления различных материалов при одинаковых условиях; равномерностью по всей площади стравливаемой поверхности.
Дальнейшее совершенствование технологических процессов
травления идет по пути улучшении всех параметров при одновременной возможности контроля и управления.
На первом этапе развития микроэлектроники использовали в основном жидкостно-химическое травление. Сущность ЖХТ заключается в удалении поверхностного слоя путем химической реакции
жидкого травителя, в качестве которого использовались агрессивные
кислоты, с материалом стравливаемой поверхности. В результате образуются жидкие или газообразные соединения, поступающие в раствор.
Примером ЖХТ может быть сплошное или размерное травление
кремния или двуокиси кремния с использованием азотной и плавиковой кислот:
SI + 2HNO3 + 6HF  H2SiF6 + 2NHO2 + 2H2O,
SiO2 + 6HF  H2SiF6 + 2H2O.
(9.7)
(9.8)
Большая скорость травления и хорошая селективность при использовании в качестве защитной маски фоторезиста способствовали
широкому распространению ЖХТ в микроэлектронике. Однако на
пути миниатюризации обнаружилось непреодолимое препятствие в
виде изотропности травления, что не позволило получать субмикронные размеры элементов ИС из-за неизбежных растравов в горизон92
тальном направлении. Кроме того, ЖХТ обладает следующими существенными недостатками: необходимостью использования токсичных
сред и утилизации отработанных жидких отходов; ЖХТ требует дополнительных операций в виде промывки и сушки пластин после
каждого процесса травления; несовместимо с другими технологическими операциями. Все это стимулировало поиск новых способов
травления, свободных от перечисленных выше ограничений. В результате чего была разработана вакуумно-плазменная технология, доминирующая в настоящее время.
Основное отличие вакуумно-плазменного травления заключается
в том, что процесс травления происходит в изолированном от оператора реакторе в газовой среде, точнее – в газоразрядной плазме пониженного давления.
Существуют две разновидности ВПТ: физическое распыление
и плазмохимическое травление. В первом случае процесс травления заключается в физическом выбивании атомов обрабатываемой
поверхности ускоренными ионами, как правило, инертного газа.
При плазмохимическом травлении удаление поверхностного
слоя происходит за счет химической реакции компонент газовой среды с атомами поверхности с образованием летучих компонент, которые удаляются из реакционной камеры путем непрерывной прокачки.
Активация газовой среды осуществляется путем зажигания электрического разряда, в котором электроны, обладающие высокой энергией, при неупругих соударениях с молекулами приводят к развалу последних с образованием возбужденных радикалов, атомов и ионов,
активно вступающих в химическую реакцию с атомами поверхности с
образованием летучих продуктов реакции. Процесс ВПТ реализуется
по следующей схеме:
Si + CF4 + O2  SiF4 + CO2,
SiO2 + CF4  SiF4 + CO2.
(9.9)
(9.10)
Обязательным условием качественного травления является образование летучих продуктов реакции всех компонент. Например, при
травлении кремния в четырехфтористом углероде не скомпенсированным является углерод, который может осаждаться на обрабатываемой поверхности, затрудняя технологический процесс.
93
Si + CF4  SiF4 + C.
(9.11)
Естественно, что при ПХТ в газовой среде должно присутствовать достаточное количество реакционно-способных частиц.
В случае травления кремния – это фтор, для алюминия и других
металлов – хлор и т. д.
Стремительному внедрению плазменной технологии в микроэлектронику, кроме многих прочих достоинств, способствовала высокая степень анизотропного травления, которая может достигать нескольких десятков единиц (А = 10 – 100). Подтверждением сказанному является сравнение профилей боковых стенок при ЖХТ и ВПТ
(рис 9.8).
ЖХТ
А=1
ВПТ
А  100
L
L
ФР
Lm
Lm
Al
d

Si
Рис. 9.8. Профиль боковых стенок при ЖХТ и ВПТ
Следующим важным достоинством плазменных технологических
процессов с использованием разрядов низкого давления является низкая температура газовой среды (порядка нескольких сотен градусов),
что следует из теории газоразрядной плазмы и подтверждается на
практике.
Физическая модель ВПТ представлена на рис. 9.9.
Процесс ВПТ является многофакторным, и по литературным данным насчитывает более десятка разновидностей, например: ПТ – плазменное травление; ИТ – ионное травление; РТ – реактивное травление; ИПТ – ионно-плазменное травление; ИХТ – ионно-химическое
травление и др. Однако если исходить из физического принципа классификации, то все возможные разновидности плазменного травления
укладываются в стройную систему из двух разновидностей: плазмохимическое травление (ПХТ) и физическое плазменное травление
(ФПТ). Кроме того, возможен смешанный тип: физико-химическое
94
плазменное травление (ФХПТ), содержащее в определенной пропорции как физическое, так и химическое травление (рис. 9.10).
На практике чаще всего реализуется смешанный тип травления
(ФХПТ), имеющий две разновидности: реактивное ионно-плазменное
травление (РИПТ) и реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ),
предполагающее направленное (лучевое) движение реактивных частиц плазмы. Варьируя соотношением физического распыления и химического травления можно в широких пределах изменять профиль
ВПТ
Выбор газовой среды
Активация газовой среды
Диссоциация
Ионизация
Возбуждение
Взаимодействие
плазмы с
поверхностью
Образование и
удаление летучих
продуктов реакции
Рис. 9.9. Физическая модель вакуумно-плазменного травления
ВПТ
ПХТ
(ПТ, РТ, ИХТ)
ФПТ
(ИТ, ИПТ, ИЛТ)
ФХПТ
(РИПТ, РИЛТ)
Рис. 9.10. Классификация плазменных процессов травления
95
боковых стенок вытравливаемых окон, что чрезвычайно важно для
качественной металлизации ступенчатой структуры поверхности.
Исходя из физической модели ВПТ, рассмотрим вкратце физическую сущность ее составных частей.
9.3.2. Выбор газовой среды
Выбор газовой среды в плазменной технологии, в первую очередь, определяется видом технологического процесса. Например, при
магнетронном или катодном распылении мишени с целью нанесения
тонких пленок, как правило, используют инертные газы, чаще всего,
аргон. При эпитаксиальном наращивании слоев используют полупроводниковые соединения в виде моносилана с добавкой легирующей
примеси и т. д.
При плазмохимическом травлении используют химически активные газы, способные вступать в химическую реакцию с атомами поверхности и образовывать с ними летучие соединения с низкой температурой испарения.
Так при плазмохимическом удалении фоторезиста используют
кислород, образующий летучие соединения в виде СО, СО2, пары воды и др. Для травления кремнийсодержащих структур (Si, SiO2 и
Si3N4) используют фториды и хлориды, основными продуктами реакции которых являются SiF4 и SiCl4. Пленки Al и других металлов, а
также силицидов тугоплавких металлов, травят, в основном, в хлорсодержащих средах. Главным критерием при выборе реактивных газов для ПХТ любых материалов является низкая температура испарения, т. е. летучесть всех конечных продуктов реакции, что позволяет
удалять их из реакционной камеры путем непрерывной откачки вакуумным насосом.
В качестве важности этого положения приведем пример ПХТ
алюминия в CF4 и CCl4. В первом случае продуктом реакции является
AlF3 с температурой кипения 1291 оС, во втором – AlCl3 с температурой кипения 137 оС. Ясно, что не только предпочтительным, но и
единственно возможным является второй вариант.
Существуют дополнительные требования при выборе газовой
среды для реализации ПХТ. Это обеспечение необходимой скорости
травления (в газовой среде должно быть большое количество реактивного элемента), отсутствие токсичности и взрывоопасности среды,
96
относительная химическая нейтральность к защитной маске при избирательном травлении и т. п.
Для улучшения процесса ПХТ можно использовать различного рода добавки: инертные газы в качестве носителя, а также активации реакции; кислорода для удаления несбалансированного
углерода. Для оптимального выбора газовой среды представлены
данные табл. 9.4 – 9.6. В них приведены соединения, которые могут быть использованы при ПХТ в качестве рабочего газа, а также
продукты реакции с указанием температуры кипения.
Таблица 9.4
Плазмообразующие газы, используемые при ПХТ
Наименование
Формула
Четырехфтористый углерод (хладон 14)
Гексафторэтан (хладон 116)
Гексафторпропилен (хладон 216)
Октафторпропан (хладон 218)
Октафторбутилен (хладон 318)
Гексафторид серы
Четыреххлористый углерод
Трихлорэтан
Тетрахлорэтилен
Гексахлорпропилен
Хлорид бора
Хлорид фосфора
Метан
Этилен
Аммиак
Монофтортрихлорметан (хладон 11)
Дифтордихлорметан (хладон 12)
Дифтортетрахлолрэтан (хладон 112)
Трифтортрихлорэтан (хладон 113)
Тетрафтордихлорэтан (хладон 114)
Трифтормонохлорметан (хладон 13)
Монофтордихлорметан (хладон 21)
Дифтормонохлорметан (хладон 22)
Трифторметан (хладон 23)
97
CF4
C2F6
C3F6
C3F8
C4F8
SF6
CCl4
C2H3Cl3
C2Cl4
C3Cl6
BCl3
PCl3
CH4
C2H4
NH3
CFCl3
CF2Cl2
C2F2Cl4
C2F3Cl3
C2F4Cl2
CF3Cl
CHFCL2
CHF2Cl
CHF3
Температура
кипения, оС
–128,0
–
–29,4
–
–
–50,0
76,8
73,9
121,2
205 – 215
12,4
76
–161,6
–103,7
–33,4
23,7
–29,8
–
47,7
3,5
–81,5
–8,9
–10,8
–
Таблица 9.5
Температура кипения (испарения) некоторых соединений
(продуктов реакции) ВПТ
Химическое
соединение
Температура
кипения, К
Химическое
соединение
Фториды
SiF4
187
WF6
291
MoF6
308
MoF5
487
TaF5
503
TiF4
557
NbF4
508
VF5
382
Оксигалогены
MoOCl3
343
WOF4
453
MoOF4
451
WOCl4
501
MoO2F2
543
CrO2Cl2
389
Температура
кипения, К
Хлориды
SiCl4
331
TiCl4
410
TaCl5
515
MoCl5
541
WCl5
549
WCL6
610
AlCl3
180
AuCl4
642
Другие соединения
CO2
216
CO
81
H2
20,4
O2
90
N2
77,2
F2
95
Таблица 9.6
Оптимальные условия ПХТ тонких пленок
Стравливаемые
материалы
Газовые среды
Фоторези- O2; O2 + N2
сты, полиимидные
пленки
Si
CF4; CF4 + O2;
CCl4; CCl3F; SF6;
C2F6; CCl2F2
SiO2
CF4; CF4 + H2;
CHF3;
C2F6 + C2H2; С3F8
+ CF4
Si3N4
CF4; CF4 + О2;
SiF4
Конечный продукт
реакции
Параметры
технологического
процесса
Энергия электронов:
1 – 10 эВ
Концентрация электронов: 1010 – 1012 см–3
SiF4; SiCl4; CO; Газовая температура:
CO2
300 – 600 К
Давление газовой среды:
SiF4; SiH4; CH4; 1 – 103 Па
CO; CO2
Расход газа:
50 – 100 см3/мин
Степень ионизации:
SiF4; CO; CO2; N2 10–3 – 10–5
Te / Tг = 10 – 100
CO2; CO; O2; H2O
98
Окончание табл. 9.6
Стравливаемые
материалы
Al
Cr
Ti;W
Nb;Ta
Au;Pt
A3B5
Ge
Газовые среды
Конечный продукт
реакции
Cl2; CCl4;
CCl4 + O2; BCl3;
Cl2 + BCl3; CCl4 +
Ar; SiF4
CCl4 + O2; CCl4;
Cl2 +O2 + Ar
CF4 + O2
CF4 + O2
CF3Cl; CF4 + O2
CCl2F2;
CCL4;
HCl; Cl2 + BCL3
SF6
AlCl3;
AlCl6;
SiCl4; CO; CO2
Параметры
технологического
процесса
CrO2Cl2
TiF4; WF6; WF4
NbF5; TaF5
AuCl3; PtCl4
A3Cl3; B5Cl5
9.3.3. Активация газовой среды; выбор типа газового разряда
Отличительной особенностью плазмохимического травления является использование активной газовой среды определенного химического состава, под действием которой происходит процесс физического и химического разрушения поверхностного слоя обрабатываемого изделия с образованием летучих соединений.
Поскольку параметры вещества в плазменном состоянии могут
изменяться в чрезвычайно широких пределах, то одним из наиболее
важных вопросов является выбор оптимального их значения, т. е. выбор определенного типа газового разряда.
Учитывая температурную зависимость полупроводниковых
структур, а также с целью исключения глубинных нарушений структуры обрабатываемой поверхности, энергия тяжелых частиц, т. е.
температура плазмы, не должна превышать нескольких сот градусов.
С другой стороны, плотность плазмы должна обеспечивать необходимую скорость протекания реакции. Катализатором может служить
возбужденное и ионизованное состояние химически активных частиц
плазмы, что обеспечивается электронной компонентой плазмы с
определенным энергетическим спектром.
99
Наконец, должны быть выполнены еще два условия: плазма, как
рабочая среда, не должна загрязняться посторонними примесями (за
счет разрушения электродов или стенок реакционной камеры); при
обработке диэлектрических поверхностей автоматически должен
устраняться поверхностный заряд.
Перечисленным условиям наиболее полно удовлетворяет высокочастотный (ВЧ) разряд низкого давления с непрерывной прокачкой
газовой среды заданного химического состава. Среднемассовая температура такого разряда имеет величину порядка сотен градусов, что
соответствует средней энергии 0,04 – 0,08 эВ. Температура электронной компоненты значительно выше и достигает нескольких единиц и
даже десятков эВ, что необходимо для поддержания газа в возбужденном и частично ионизованном состоянии.
Заданный температурный режим обеспечивается величиной давления ниже атмосферного в пределах 10 – 200 Па (1 mm Hg =
=133 Па). Частота внешнего электрического поля должна быть достаточно велика (порядка 106 Гц), что исключает влияние процессов на
электродах и позволяет вынести их за пределы реакционной камеры,
т. е. получить безэлектродный разряд. В этих условиях длина свободного пробега электронов будет довольно большой и достаточной для
активации тяжелых частиц.
При использовании ВЧ разряда существенно снижается по сравнению с разрядом на постоянном токе, потенциал зажигания разряда.
Роль ионов в ВЧ разряде сводится, вследствие их малой подвижности,
почти исключительно к образованию пространственного заряда,
накладывающегося на быстропеременное внешнее электрическое поле и определяющего распределение зарядов. Что касается характера
движения электронов, то он целиком определяется совокупностью
следующих параметров: давления, частоты и амплитуды внешнего
электрического поля и, наконец, величиной и конфигурацией внешнего магнитного поля.
В зависимости от конфигурации внешних электродов (соленоид,
пластины конденсатора) можно реализовать ВЧ индукционный, т. е.
ВЧ-Н, или емкостной – ВЧ-Е разряды (рис. 9.11).
При использовании соленоида, внутри которого находится
кварцевая реакционная камера, вследствие самоэкранировки
плазмы может возникать так называемый кольцевой разряд с неравномерной температурой и концентрацией заряженных частиц
по сечению реакционной камеры, что приводит к неравномерности обработки поверхности.
100
ВЧ
ВЧ
ВЧ-Е
о о о о
ВЧ
ВЧ-Н
о о о о
Рис. 9.11. ВЧ-H и ВЧ-Е разряды
Для обоснования выбора оптимальных значений параметров ВЧ
разряда можно воспользоваться уравнением движения электронов в
переменном электрическом поле при низком давлении и концентрации молекул (до 5.1016 см–3) (9.12). Длина свободного пробега электрона не должна превышать линейных размеров реакционной камеры
(для обеспечения достаточного количества столкновений с тяжелыми
частицами).
me(dv / dt) = eEo.exp(it) – gv,
(9.12)
где me – масса электрона, v – направленная скорость электронов,
g – коэффициент трения электронов, Е = Eo.exp(it) – напряженность
внешнего электрического поля с частотой  и амплитудой Eo.
Выражая коэффициент трения g через частоту упругих столкновений o
gv = meov,
(9.13)
получим
me(dv / dt) = eEo.exp(it) – meov.
(9.14)
Приближенным решением уравнения (9.14) будет
v = eE / me(i + o) = – аE + irE,
(9.15)
где a и r – активная и реактивная составляющие подвижности электронов в высокочастотном электрическом поле.
101
Рассматривая плотность электронного тока
j = – enev = eneаE + ienerE = аE + irE,
(9.16)
найдем выражение для активной и реактивной составляющих проводимости плазмы ВЧ разряда:
а = e2neo / me(2 + o2),
r = e2ne / me(2 + o2).
(9.17)
(9.18)
Таким образом, соотношение между активной и реактивной составляющими проводимости плазмы, которые в свою очередь определяются соотношением круговой частоты внешнего электрического
поля и частотой столкновений электронов с тяжелыми частицами, будут определять степень нагрева, т. е. температуру тяжелых частиц
плазмы Та и температуру электронов Те. При фиксированной циклической частоте внешнего электрического поля  = 2f (на практике
частота генератора f в большинстве случаев равна 13,56 МГц), соотношение между Та и Те можно регулировать, изменяя частоту столкновений путем варьирования давления газовой среды в реакционной
камере. Здесь возможны три случая.
1. Пусть  >>  o, что соответствует низкому давлению, когда
электроны практически без столкновений движутся в фазе с ВЧ
электрическим полем, поочередно приобретая и возвращая энергию в течение одного периода. Следовательно, поглощения энергии газом не происходит. Сопротивление плазмы носит реактивный характер (r >>a) и Те >> Та. Это имеет место при давлении
p < 1 Па.
2. При  <<  o , что соответствует высокому давлению
(p > 200 Па), плазма является активной нагрузкой (a >> r). Частота
столкновений электронов с тяжелыми частицами велика; происходит
активный нагрев плазмы вплоть до выравнивания температур электронов и плазмы в целом до значений 103 оС.
Рассмотренные выше режимы непригодны для проведения
технологического процесса травления; первый из-за низкой реактивной способности газа, второй – из-за чрезмерно высокой температуры.
3. Оптимальным является режим, при котором   o. Плазма
сохраняет активную и реактивную составляющие проводимости
102
(a  r). Энергия внешнего поля, воспринимаемая электронами, передается частично тяжелым частицам при неупругих и упругих
столкновениях с последними. Энергия электронов составляет несколько электрон-вольт и является достаточной для активации частиц
газа. Энергия тяжелых частиц невелика и составляет величину порядка 0,05 эВ (200 – 500 оС). В этих условиях плазма является низкотемпературной и неравновесной. Оптимальный диапазон давлений для
генератора с частотой 13,56 МГц лежит в пределах 10 – 200 Па.
Большинство газовых сред, используемых в микроэлектронике
для травления, даже при высоких температурах, обладают низкой реакционной способностью. Например, молекулярный фтор практически не взаимодействует с кремнием при комнатной и повышенной
температуре и нормальном давлении. Для повышения реакционной
способности необходим процесс активации, который может быть реализован с помощью газового разряда по схеме:
CF4 + e  CF3 + F + e
CF3 + e  CF2 + 2F + e
CF2 + e  CF + 3F + e
CF + e  С + 4F + e
(9.19)
Активированные частицы (атомы фтора и радикалы CFx) легко
вступают в реакцию с атомами кремния, образуя в итоге летучее соединение SiF4.
Процесс активации среды в газоразрядной плазме происходит
следующим образом. При зажигании электрического разряда в газовой среде при пониженном давлении (тлеющий разряд на постоянном или переменном токе) ускоренные под действием электрического поля электроны путем неупругих столкновений с молекулами газа приводят к распаду последних на радикалы и атомы
по вышеприведенной схеме. При этом возможен процесс возбуждения атомов и даже ионизация, что повышает реакционную способность этих частиц. В отличие от электронов, энергия которых
составляет несколько электрон-вольт, температура тяжелых частиц молекул и атомов не превышает 200 - 300 оС, что обеспечивает низкую температуру технологического процесса. Таким образом, плазменные технологические процессы по нанесению и уда103
лению тонких поверхностных слоев могут быть реализованы с
помощью газового разряда при пониженном давлении и достаточно низких температурах.
9.4. Модификация поверхности полупроводника;
диффузия и ионная имплантация
Под модификацией поверхности в современной микроэлектронике понимают изменение концентрации носителей зарядов и
типа проводимости в приповерхностных слоях полупроводникового кристалла, именуемое общим термином «легирование», т. е.
внесение в полупроводник примеси заданного химического состава и необходимой концентрации. Легирование – это один из базовых технологических процессов, который используется для формирования базовых и эмиттерных областей транзисторов, а также
резисторов в биполярной технологии; для создания областей истока и стока в МОП технологии и др. В большинстве случаев используется локальное внесение примеси через защитную диэлектрическую маску из SiO2 и Si3N4, в которой методом литографии
создаются окна для внедрения примеси.
Легирование реализуется двумя способами: высокотемпературной диффузией и ионной имплантацией с последующей температурной обработкой (термоотжиг), в процессе которой устраняются различного рода радиационные дефекты структуры, возникшие в процессе легирования, и одновременно создается определенный профиль
концентрации примеси вглубь полупроводника.
В качестве источника диффузии могут быть использованы: легированный окисел, нанесенный на поверхность подложки, ионноимплантированные слои, газовые среды. Физическая модель процессов легирования представлена на рис. 9.12.
Механизм высокотемпературной диффузии и ионной имплантации достаточно хорошо изучен как теоретически, так и практически и
подробно описан в литературе. В основу теории диффузии положены
хорошо известные законы Фика, разработанные для диффузии в газах.
Первый закон Фика определяет диффузионный поток в зависимости от градиента концентрации примеси:
J = – D N(x, t) / x.
104
(9.20)
Легирование
полупроводников
Высокотемпературная
диффузия
Диффузия из
газовой среды в
замкнутом объеме
Ионная имплантация
Диффузия из
твердой фазы на
поверхности
Внедрение
имплантируемой
примеси
Температурная
обработка
Рис. 9.12. Физическая модель процессов легирования
Уравнение (9.20) показывает, что локальная скорость диффузии
через сечение единичной площади за единицу времени пропорциональна градиенту концентрации внедренного вещества, где коэффициентом пропорциональности является коэффициент диффузии D.
Знак минус означает, что процесс переноса вещества происходит в
направлении уменьшения концентрации.
Следует иметь в виду, что в данном случае речь идет о твердотельной диффузии, представляющей собой физический процесс перераспределения примеси внутри полупроводникового кристалла, который реализуется по вакансионному или междоузельному механизму.
Из закона сохранения вещества следует, что изменение концентрации во времени должно быть равно уменьшению диффузионного
потока в том же объеме:
N(x, t) / t = – J(x, t) / x.
(9.21)
С учетом первого закона Фика получим
N(x, t) / t = D.2N(x, t) / x2.
(9.22)
Уравнение (9.22) называют вторым законом Фика. Из него следует, что изменение локальной концентрации во времени пропорционально второй производной градиента концентрации. Коэффициент
диффузии D имеет размерность см3/c.
105
К настоящему времени как концентрационная, так и температурная зависимости коэффициента диффузии, применительно к микроэлектронным структурам, детально изучены, и по исходным данным
можно теоретически рассчитать профиль концентрации примеси, а
следовательно и глубину залегания p–n-перехода. Зависимость коэффициента диффузии от температуры определяется формулой:
D = Do eхp( – Ea / kT).
(9.23)
Кроме диффузии, легирование полупроводника можно осуществить методом ионной имплантации, т. е. внедрением вглубь материала ускоренных ионов (бора, фосфора, мышьяка и др.). В отличие от
обычной диффузии, ионная имплантация проводится при температурах, близких к комнатной. Варьируя плотностью ионов и их энергией, можно создавать легированные области на определенной глубине
(скрытые слои n-типа или p-типа). Единственным недостатком ионной имплантации является неизбежная генерация радиационных
дефектов, которые однако отжигаются высокотемпературной обработкой.
Технические подробности процессов диффузии и ионной имплантации можно найти в соответствующей литературе.
9.4.1. Планаризация
К разряду технологических операций, связанных с модификацией поверхности, можно отнести и процесс планаризации, который необходим при переходе от однослойной планарной к многослойным
структурам интегральных схем. Для реализации такого перехода
необходимо изолировать слои ИС друг от друга и выравнивать поверхность первого слоя, так как на вертикальных ступеньках могут
образовываться разрывы в металлизации. Процесс выравнивания поверхности первого слоя и называется планаризацией.
К планаризации предъявляется ряд требований:
 планаризующий слой должен быть диэлектриком, т. е. выполнять
функции межслойной изоляции;
 планаризующий слой не должен вносить дополнительных дефектов
в структуру интегральной схемы;
 процесс создания планаризующего слоя должен быть низкотемпературным, чтобы не разрушать микроструктуру.
106
Разработано несколько способов реализации указанного технологического процесса, однако одним из наиболее простых является следующий: нанесение тонкого слоя силикатного стекла
(SiO2 на поверхность одним из низкотемпературных способов с
последующим оплавлением путем температурного отжига. Для
понижения температуры размягчения стекла и выравнивания поверхности силикатный слой легируется в процессе нанесения бором или фосфором, образуя боросиликатное (БСС), фосфоросиликатное (ФСС) или борофосфоросиликатное стекло (БФСС). Планаризующие слои формируют путем химического осаждения из
газовой фазы, например путем вакуумного пиролиза элементоорганических соединений в вакууме при давлении 30 – 40 Па и температуре 600 – 700 оС. Таким образом, процесс планаризации
осуществляется в два этапа: нанесение стекла и его оплавление,
которое происходит при температуре около 800 оС в атмосфере
сухого кислорода. Одним из параметров качества планаризации
является угол неровности рельефа (угол планаризации).
Практика показывает, что во время планаризации могут возникать различного рода дефекты, как то: механические напряжения (растяжения и сжатия), приводящие к разрывам в металлизации и искривлению пластин; появление зарядовых состояний; образование и рост различных структурных дефектов, обусловленных большой концентрацией примеси; незапланированная диффузия понижение влагостойкости и др. Для предотвращения появления указанных дефектов используют различные приемы, в том
числе и нанесение многокомпонентных материалов, в частности,
полиимидов и легированных силикатных стекол. Один из процессов планаризации представлен на рис. 9.13.
При необходимости стравливания планаризующих слоев используют соответствующий вид плазменного травления: ПХТ полиимида, как и фоторезиста, проводят в кислородной плазме; ПХТ
легированных силикатных слоев проводят во фторсодержащих
средах, например, в CF4. Возможно одновременное стравливание
различных компонент планаризации с одинаковой скоростью.
В этом случае в качестве рабочей газовой среды используют смесь
CF4 + O2.
107
Al
1
Si
3
Фоторезист
БФСС
2
4
Рис. 9.13. Последовательность операций при комплексной планаризации
поверхности структур микросхем БФСС и фоторезистом:
1 – исходная структура; 2 – нанесение слоев БФСС и фоторезиста; 3 – ПХТ структуры в смеси CF4 + О2; 4 – сечение структуры после планаризации
Таким образом, процесс планаризации является технически
весьма сложным и трудоемким. Он состоит из множества технологических операций, выполняемых на разнородном оборудовании, и безусловно требует тщательного послеоперационного контроля на каждом этапе его реализации.
108
10. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНТРОЛЯ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Основной задачей современной микроэлектроники является
разработка и изготовление интегральных микросхем (ИМС), отвечающих постоянно возрастающим требованиям по надежности и
качеству. Отметим, что понятие «качества» до сих пор не имеет
четкого количественного определения и трактуется как совершенство продукции.
Качество ИМС в значительной степени определяется уровнем
технологии их изготовления. А поскольку весь цикл технологического процесса может содержать более ста различных операций, то правомочно говорить о весовом коэффициенте в общем понятии качества
каждой из них. Такой подход позволяет установить обобщенный показатель качества.
Q = migi /mi,
(10.1)
где mi – весовой коэффициент соответствующей группы показателей,
а gi – групповой показатель качества.
Существует несколько групповых показателей качества ИМС: по
технологичности, надежности, степени интеграции и миниатюризации, экономичности; по электрическим, оптическим и механическим
параметрам и др. Каждая из этих групп может быть выражена безразмерным коэффициентом для оценки ее вклада в общий показатель качества. Так ,например, для цифровых ИМС одним из обобщенных показателей качества может быть энергетический коэффициент быстродействия
F = Wt,
(10.2)
где W – удельная мощность, потребляемая одним элементом, а
t – среднее время задержки сигнала на один элемент.
Для определения потенциально возможного быстродействия
ИМС вводится коэффициент, состоящий из произведения подвижности носителей заряда () на теплопроводность полупроводникового
материала ():
k = .
(10.3)
Наиболее эффективным способом повышения качества ИМС является применение эффективных методов контроля с целью выявле109
ния и устранения причин появления различного рода дефектов в ходе
технологического процесса.
10.1. Классификация методов контроля
В основу классификации методов контроля качества ИМС
могут быть положены различные параметры и подходы. Если исходить из логической последовательности технологических процессов изготовления ИМС, то уместно говорить о производственной классификации, включающей входной, пооперационный и выходной контроль.
Входной контроль сводится к определению входных параметров полупроводниковых пластин, металлов, диэлектриков, а также
других материалов и устройств, которые будут использованы в
технологическом процессе: фотошаблоны, элементы корпусов,
реактивы и газы.
Пооперационный контроль предполагает определение основных параметров изготавливаемой ИМС после каждой операции:
толщины и проводимости эпитаксиального слоя, толщины, равномерности, сплошности и электрической прочности диэлектрических слоев SiO2 и Si3N4; профиль концентрации диффузионной
примеси, качество металлизации и др. Следует подчеркнуть, что в
большинстве случаев перечисленные параметры определяются
после завершения определенной операции, что является одним из
недостатков данного метода контроля.
Выходной контроль сводится к определению электрических, оптических, механических и других необходимых параметров отдельных кристаллов с готовыми ИМС, а также качества корпусирования и
к проведению климатических и эксплуатационных испытаний готовых изделий. При определении степени надежности ИМС применяются ускоренные испытания при повышенных значениях питания,
температуры и других внешних воздействий.
По количеству контролируемых параметров и пластин различают
сплошной (100%) и выборочный контроль.
По степени воздействия на контролируемую ИМС контроль может быть как неразрушающим, так и выборочно разрушающим, в
частности, при определении прочностных характеристик.
110
Наконец, по способу контроля применяется визуальный, параметрический и функциональный контроль.
Визуальный контроль – это контроль под микроскопом внешнего
вида формируемых структур после основных этапов фотолитографии
и особенно металлизации с целью обнаружения внешне видимых дефектов: короткие замыкания или разрывы полосок при металлизации
и другие непредвиденные изменения в топологии.
Параметрический контроль сводится к определению параметров
отдельных элементов ИМС путем тестирования или использования
«спутников», специально формируемых на той же пластине одновременно с основной схемой.
В силу малых локальных размеров и неразличимости отдельных
элементов, а также большого их количества, используют функциональный контроль с применением тестирующих систем и ЭВМ, сопряженных с тестовым прибором. Например, тестирование цифровых
ИМС состоит в подаче на вход логических сигналов в определенной
последовательности, регистрацией выходных сигналов и их анализ.
В последнее время в связи и повышением степени интеграции
ИМС и появлением СБИС и особенно с внедрением плазменной технологии при обработке поверхности полупроводникового кристалла
(нанесение и травление тонких слоев) при создании субмикронных
размерных структур, роль контроля в технологии микроэлектроники
постоянно возрастает. В частности, необходим переход от пооперационных способов контроля к оперативному контролю хода технологического процесса и, особенно, с фиксацией момента окончания
процесса. Определение конечной точки каждого технологического
процесса должно быть одним из звеньев процесса контроля, который
должен сочетать и процесс управления и оптимизации конкретной
технологии.
Преждевременное прекращения процесса будет сопровождаться
его незавершенностью, например, неполное удаление фоторезиста,
или неполное вскрытие окон в слое окисла. Контакт плазмы после завершения процесса травления также нежелателен, ибо он может привести к изменению свойств поверхности ниже лежащих слоев, например, окисления алюминия после удаления фоторезистивной маски;
появлению подтравов и изменению геометрических размеров рисунка
ИМС. Прогнозировать момент окончания процесса по времени не
представляется возможным, ибо даже при стабилизации внешних параметров генератора плазмы, расхода газовой среды и ее химического
111
состава до начала процесса обработки. Параметры плазмы с началом
травления претерпевают изменения вследствие неизбежного поступления в объем реакционной камеры продуктов травления, химического взаимодействия между частицами, сопровождающимся распадом
одних молекул и образованием других; осаждением на стенках реакционной камеры и электродах нелетучих продуктов реакции, изменением потенциала поверхности и др. Эта естественная нестабильность
плазменной среды приводит к нарушению воспроизводимости параметров изделий.
Процесс контроля осложняется еще и потому, что, кроме конструктивных различий плазменной аппаратуры, для оптимизации
процесса используют сложные газовые смеси: к основному газу примешивают различного рода добавки, что еще более усложняет кинетику плазменной обработки.
Наконец, следует отметить, что любой метод контроля должен быть адаптирован под конкретный технологический процесс,
используемую аппаратуру и отработанную технологию. Именно
это обстоятельство вынуждает любой метод контроля быть индивидуальным даже для однотипных установок и одинаковых технологических процессов. Это первое и основное требование. Второе требование к методу контроля заключается в том, что он, по
возможности, должен быть бесконтактным с тем, чтобы не вносить дополнительных возмущений или нежелательных примесей в
плазму. Наконец, метод контроля должен быть сопряжен с управлением установки, например, для автоматического отключения
генератора в момент завершения процесса. При многостадийности
технологического процесса устройство контроля должно автоматически оптимизировать процесс и выдавать команды на смену
операции. Само собой разумеется, что метод контроля должен
быть надежным, а соответствующая аппаратура малогабаритной
и, по возможности, простой в обслуживании. Перечисленные проблемы могут быть успешно решены с использованием ряда физических методов контроля.
10.2. Физические методы контроля
Исходя из физической концептуальной диаграммы микроэлектроники, согласно которой все технологические процессы из112
готовления ИМС подразделяются на три большие группы: нанесение тонких слоев, удаление тонких слоев и модификация поверхности, целесообразно этот подход распространить и на соответствующие методы контроля, положив в основу классификации хорошо разработанные физические методы диагностики. Перечень и
краткая характеристика диагностических методов, которые могут
быть использованы для контроля технологических процессов,
представлены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Диагностические методы и физические явления, которые могут быть использованы в системах контроля технологических процессов микроэлектроники
Метод
Физический
параметр
Контролируемый
параметр
Электрические
методы
Зондовые
Вольт-амперная
методы
характеристика
(ВАХ) зонда
Краткая характеристика
метода
Момент оконча- Метод
контактный,
ния плазменного косвенный,
интетравления
гральный,
чувствительный к наводкам
Метод измере- Импеданс плаз- Момент оконча- Метод косвенный, инния импеданса мы
ния плазменного тегральный, малочувплазмы
травления
ствительный
Резистивный
Сопротивление
Момент оконча- Метод
контактный,
метод
стравливаемого
ния
процесса интегральный
образца
или травления провоспутника
дящих слоев
Электронные
методы
Электронная
ОЖЭ спектры
Компонентный
Неразрушающий меОЖЭ спектросостав анализиру- тод контроля компоскопия (ЭОС,
емого образца
нентного состава
АES)
Растровая элек- Распределение
Визуализация ре- Изучение морфологии
тронная спек- плотности отра- льефа поверхно- поверхности
троскопия
женных электро- сти
(РЭМ, SEM)
нов
РЭМ в режиме Распределение
Распределение
Выявление аномальнаведенного
плотности отра- плотности
тока ных значений тока или
тока или потен- женных электро- или потенциала по потенциала на элеменциала
нов по поверхно- схеме ИМС
тах ИМС
(EBICVC)
сти
113
Окончание табл. 10.1
Метод
Физический
параметр
Просвечивающая электронная микроскопия
(ПЭМ,
TEM)
Электронография на просвет
(ЭНП, ТЕD)
Рентгеновские
методы (RBS),
(РД, XRD),
(РМА, XES)
Масс-спектрометрический
метод (MS)
Оптические
методы
Метод эмиссионной спектроскопии (ЭС, ES)
Распределение
коэффициента
поглощения проникающих электронов
Дифракция электронов
Метод ИК абсорбционной
спектроскопии
(ИКС, IRS)
Оптическая
микроскопия
Контролируемый
параметр
Краткая характеристика
метода
Изучение структу- Выявление дефектов
ры тонкопленоч- тонких пленок
ных образцов
Изучение кристаллической структуры пленок
Дифракция и об- Химический
соратное рассеяние став материалов
рентгеновских
лучей
Масс-спектры
Компонентный
газоплазменной состав плазменной
среды
среды
Выявление дефектов
структуры
тонких
пленок
Контроль химического
состава материалов
Спектр
соб- Кинетика процесственного излу- сов плазменного
чения плазмы
травления
или
нанесения, определение момента
окончания травления
Спектр поглоще- Компонентный
ния в ИК области состав и структура
материалов и газов
Визуальное изу- Состояние и морчение поверхно- фология поверхсти
ности
Определение момента окончания
Коэффициент
процесса плазменотражения
ного травления
Интерференция
Метод
косвенный,
бесконтактный, интегральный, весьма информативный, прост в
реализации, широко
используется в микроэлектронике
Определение момента
окончания
процесса
травления. Сложный в
реализации
Метод
визуального
определения качества
поверхности
Метод сложен в реализации и находит
ограниченное применение
Метод высокоточ-ный,
однако сложный в реализации
Лазерные методы (LR)
а) Лазерное отражение
б) Интерферометрический
Комбинацион- Спектр комбина- Анализ состава и Широко применяется
ное рассеяние ционного рассе- структуры
по- для анализа тонких
света (КРС, RS) яния
света верхностного слоя поверхностных слоев
(спектр Рамана)
114
Перечисленные в табл. 10.1 диагностические методы позволяют
изучать и контролировать морфологию поверхности, проводить химический и кристаллографический анализ материалов, ход плазменного технологического процесса нанесения и травления тонкопленочных структур и фиксировать момент окончания процесса травления.
Рассмотрим более подробно эти возможности.
10.2.1. Исследование морфологии поверхности
Суть заключается в визуальном или приборном исследовании
геометрических параметров элементов, а именно: резкость границ
топологического рисунка, точность совмещения, расстояние между элементами, наличие дефектов в виде разрывов или коротких
замыканий элементов топологической структуры и т. д. Контроль
проводится методами оптической микроскопии, а также растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Для исследования неровностей по высоте различных элементов может быть
использован лазерный метод или оптическая микроскопия в режиме интерференционного контраста. Учитывая, что предел разрешения невооруженного глаза составляет 0,1 мм, а оптического
микроскопа порядка 0,25 мкм, то необходимое увеличение должно составлять 1000 – 2000.
Более высоким пространственным разрешением и глубиной
резкости обладает растровая электронная микроскопия: до 10 нм
по ширине и 2 – 4 мкм по глубине. Следует отметить, что при
анализе этим методом поверхности диэлектрических материалов
возможно появление радиационных дефектов, поверхностных зарядовых состояний и ловушек на границе раздела SiO2 и Si. Радиационные дефекты устраняются последующим отжигом при температуре 400 – 500 оС, а отвод поверхностных зарядов можно
осуществить путем покрытия поверхности тонкой металлической
пленкой (10 нм).
Еще большее пространственное разрешение, порядка 0,2 нм,
можно получить, применяя просвечивающую электронную микроскопию. При этом толщина исследуемых образцов должна обеспечивать
«прозрачность» для электронов с энергией 60 – 350 кэВ. Предел толщины исследуемых кремниевых пленок 0,5 – 1,5 мкм.
Контраст изображения зависит от кристаллической или аморфной структуры образца. При исследовании кристаллических образцов
115
первичный электронный пучок дифрагирует на кристаллической решетке, что увеличивает контраст изображения. В случае аморфных
пленок контраст изображения определяется различного рода локальными неоднородностями пленки по толщине, изменениями фазового
состояния и др.
10.2.2. Химический анализ
Диагностические методы химического анализа образцов позволяют определять распределение примеси как по плоскости поверхности, так и по глубине с чувствительностью в пределах от 10 11 до
1021 см–3 , т. к. в этих пределах проводится степень легирования полупроводников. Анализ концентрации примеси можно осуществить с
помощью электронной оже-спектроскопии, спектроскопии обратного
рассеяния Резерфорда, растровой и просвечивающей электронной
микроскопии, масс-спектроскопии вторичных ионов.
Метод электронной оже-спектроскопии основан на анализе
энергии оже-электронов, которые генерируются в результате
ионизации внутренних электронных оболочек атомов Поскольку
энергия первичных электронов лежит в пределах от 2 до 10 кэВ,
то глубина их проникновения составляет порядка 5 нм. Энергия
вторичных оже-электронов при этом составляет 20 – 2000 эВ. Поэтому, метод оже-спектроскопии позволяет анализировать химический состав приповерхностной области. Для анализа концентрации по глубине применяют послойное ионное стравливание
образца ионным пучком инертного газа. Предел чувствительности
метода 10 17 см–3.
Химический анализ образцов методом спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда основан на анализе энергии обратно рассеянных ионов инертного газа (He) по отношению к энергии первичных
ионов (1 – 3 МэВ). По графику зависимости количества обратно рассеянных ионов от их энергии однозначно определяют химический состав образца. Чувствительность метода составляет 1018 см–3.
Для химического анализа образцов могут быть использованы
различные рентгеновские методы: рентгеновский микроанализ, рентгеновский флуоресцентный анализ, рентгеновская фотоэлектронная
спектроскопия. Рентгеновские методы могут применяться в сочета116
нии с электронными растровым и просвечивающим методами. Растровый или просвечивающий электронные пучки используются для
генерации рентгеновского излучения, характерные линии которого
несут информацию о химическом составе образца.
Для анализа химического и компонентного состава газовых сред,
например, в плазменной технологии нанесения методом магнетронного распыления и плазменного травления в плазме ВЧ разряда низкого давления тонких проводящих, полупроводниковых и диэлектрических слоев можно использовать методы эмиссионной и абсорбционной ИК спектроскопии, а также метод масс-спектрометрии.
В случае эмиссионной спектроскопии анализируется эмиссионный спектр собственного излучения плазмы, в ИК абсорбционной спектроскопии – спектр поглощения в ИК области, а при
масс-спектроскопическом анализе регистрируются по массе ионные
компоненты распыляемого твердого образца или ионизованные атомы и молекулы газовой среды. Анализ проводится в «магнитной
призме» квадрупольного анализатора. В сочетании с послойным ионно-плазменным стравливанием, метод масс-спектроскопии позволяет проводить химический анализ по глубине образца. Чувствительность метода составляет 10 13 см–3.
10.2.3. Кристаллографический анализ
Сущность используемых методов заключается в определении
кристаллической структуры полупроводниковых материалов:
определение типа и размеров кристаллической решетки и ее ориентации по отношению к поверхности, размеров кристаллических
зерен, выявление аморфных областей и других дефектов кристаллической структуры. Кристаллическая структура может быть расшифрована методами: обратного рассеяния Резерфорда, рентгеновской дифракции, электронографии на просвет и просвечивающей электронной микроскопии.
10.3. Оперативный контроль в микроэлектронике;
определение момента окончания технологического процесса
Непрерывный прогресс в современной микроэлектронике
требует совершенствования методов контроля. Многостадийность
процесса изготовления ИМС и широкое внедрение вакуумно117
плазменных технологий не удовлетворяет существующий послеоперационный контроль и требует перехода на контроль параметров в процессе проведения самой операции, т. е. на оперативный
контроль за ходом каждого технологического процесса и определения момента окончания каждого из них с выдачей команды на
смену операции. При этом оперативный контроль должен автоматически поддерживать заданные параметры и программу их изменения.
Для реализации автоматического оперативного контроля
можно использовать многие из перечисленных в табл. 10.1 методов контроля, в основу которых положено изменение во времени
одного из физических параметров: спектра излучения или поглощения плазменной среды, коэффициента отражения лазерного луча от поверхности, сопротивления стравливаемого образца и других величин в зависимости от скорости травления или нанесения
тонких слоев с учетом компонентного состава распыляемого или
наносимого слоя.
С учетом информативности, бесконтактности, простоты в реализации, стоимости и возможности автоматизации для решения поставленной задачи вне конкуренции находится метод эмиссионной спектроскопии, что и обеспечивает ему широкое внедрение в промышленности. Сущность этого метода заключается в регистрации изменения во времени собственного излучения плазмы, в частности, относительной интенсивности характерных спектральных линий атомов и
молекулярных полос, адекватно отражающих ход технологического
процесса и позволяющих фиксировать момент окончания процесса.
Метод эмиссионного спектрального анализа, хотя и уступает
масс-спектрометрическому по точности определения концентрации
продуктов реакции, но превосходит его по быстродействию, простоте
реализации и значительно ниже по стоимости. Он позволяет получать
информацию о пространственном и временном распределении измеряемых параметров, точно поддерживать необходимый состав плазмы
и однозначно фиксировать момент окончания процесса.
Самым ответственным моментом в реализации данного метода
является выбор характерных спектральных линий и полос. Этот процесс должен быть индивидуальным для каждого технологического
процесса. Обычно выбираются линии реактивных элементов газовых
118
сред, например, фтора при плазменном травлении кремнийсодержащих структур; элементов распыляемых мишеней при нанесении пленок; частиц, принадлежащих конечным продуктам реакции, например
алюминия при травлении металлизации, СО при деструкции фоторезиста, N2 при травлении Si3N4.
Один из фрагментов, используемых участков спектра, в частности, при плазменном удалении фоторезиста полиимида и др. слоев,
представлен на рис. 10.1.
СО
С2
500
510
520
, нм
Рис. 10.1. Участок спектра, используемый для контроля
плазменного удаления пленки фоторезиста в кислороде
Молекулярные полосы С2 и СО на участке спектра от 512 до
520 нм являются излучением соответствующих продуктов реакции.
Рекомендуемые спектральные линии должны одновременно
обеспечивать фиксацию момента окончания травления, в основе которого лежит резкое изменение интенсивности сигнала вплоть до нулевого значения или до уровня фона в момент завершения травления
или перехода границы двух слоев, что имеет место при травлении
SiO2 на Si. Это необходимо для исключения возможного перетрава и
повреждения ниже лежащих структур.
Типичное изменение относительной интенсивности спектральной линии или молекулярной полосы на примере контроля процесса
удаления фоторезиста представлено на рис. 10.2.
Стрелкой отмечен момент окончания процесса, когда интенсивность полосы выходит на уровень фона.
Соответствующая функциональная схема одноканального прибора спектрального контроля представлена на рис. 10.3.
119
0
30
60
90
, c
Рис. 10.2. Изменение интенсивности молекулярной полосы СО
(519,8 нм) при плазменном удалении пленки фоторезиста
1
2
3
4
5
Рис. 10.3.Функциональная схема одноканального прибора
спектрального контроля:
1 – реактивная камера травления; 2 – оптический фильтр; 3 – преобразователь
оптического сигнала в электрический; 4 – усилитель; 5 – регистратор
Вывод оптического сигнала из плазменной реакционной камеры осуществляется с помощью световода, что позволяет сам прибор контроля размещать вне плазменной установки. Для выделения
характерного участка спектра может быть использован светофильтр или монохроматор. Преобразование оптического сигнала в
электрический осуществляется с помощью фотодиода или фототранзистора с одновременным усилением сигнала. На выходе сигнал контроля регистрируется самописцем или любым другим способом, позволяющим использовать его для автоматической коррекции параметров технологического процесса введением отрицательной обратной связи или формированием команды на смену программы после завершения данного технологического процесса.
Для устранения возможной нестабильности параметров плазмы в
реакционной камере и исключения влияния фонового излучения ис120
пользуется двухканальная система контроля, в которой, кроме аналитического сигнала, одновременно регистрируется опорный сигнал,
автоматически вычитаемый на выходе из суммарного сигнала контроля. Функциональная схема двухканального прибора спектрального
контроля приведена на рис. 10.4.
2
3
4
I
1
5
2
3
4
Io
Рис. 10.4. Функциональная схема двухканального прибора
спектрального контроля:
1 – реактивная камера травления; 2 – оптический фильтр; 3 – преобразователь
оптического сигнала в электрический; 4 – усилитель; 5 – регистратор
Оптические сигналы для аналитического и опорного каналов одновременно выводятся из реакционной камеры с помощью световодов и одновременно обрабатываются. В выходном устройстве регистрируется их разность или отношение. Алгоритм обработки сигналов
управляющим микропроцессорным контроллером диктуется спецификой конкретного технологического процесса.
В сложных технологических процессах, например при нанесении
многокомпонентных слоев с использованием нескольких реактивных
газов при магнетронном распылении одной или нескольких мишеней,
используются многоканальные системы спектрального контроля и
управления.
Одним из достоинств технологических процессов с применением
систем спектрального контроля и автоматического управления является воспроизводимость оптимальных параметров изготавливаемых
изделий.
Рекомендуемые параметры для оперативного контроля и управления некоторыми плазменными технологическими процессами приведены в табл. 10.2.
121
Таблица 10.2
Рекомендуемые параметры для оперативного спектрального
контроля плазменных технологических процессов.
Технологический
процесс
Плазмообразующий
газ
ПлазО2
менное
удале- О2 + N2
ние
фоторезиста
Продукты
Наблюдаемые молекулярные
реакции
полосы и атомные линии, нм
СО, C2, CN,
CH, ОН, Н,
СО2, Н2О, N2,
H2
Рекомендуемые для
контроля
участки
спектра
С2 – система Свана;
CO
С – наиболее яркая линия 247,9;
520 нм
СО – система Ангстрема, 5В, 3+;
СН – система 430;
CN – главная серия фиолетовой
системы, красная система
ОН – система 306,4
Н – серия Бальмера (Н, Н, Н);
О – наиболее яркие: 436,8; 615,7;
645,5; 700,2; 777;
N2 – 1+ и 2+ системы
+
–
N2 – 1 система
Плазменное
травление
Si,
SiO2,
Si3N4
CF4
CF4+O2
CCl4
SF6
CF2Cl2
и др.
SiF4,
SiCl4,
SiFx,
SiClx,
CO, CO2, CN,
N2 и др.
F;
SiF –  и  системы;
SiO2 – плотная группа полос разного вида в области 421 – 430 нм;
SiO – 8 полос в фиол. области;
CN – главная серия фиолетовой
системы;
CO – системы: 3+, 5В, Ангстрема;
СН – система 430;
С2 – система Свана;
N2 – 1+ и 2+ системы;
NO –  и  системы;
ОН – система 306,4;
Н – Н, Н и др.;
Cl – 247,8;
F – 685,6, 703,7 и др.;
122
F
703,7 нм,
SiF 435 –
445 нм,
СО
520 нм,
N2 390 нм
Окончание табл. 10.2
Технологический
процесс
Плазмообразующий
газ
Продукты
Наблюдаемые молекулярные
реакции
полосы и атомные линии, нм
Рекомендуемые для
контроля
участки
спектра
Si – 20 линий, наиболее яркие:
243,5; 251,6; 288,1;
Cl – множество линий, наиболее
яркая 452, 6;
О – 615,8; 645,4; 777
Травление
Al
CCl4
CCl4+
O2
BCl3
AlClx, AlCl3
Al – 394, 397;
AlCl – 261;
CCl – 258;
Cl2 – 256 и 307;
Cl и Cl+;
BCl – 272, 208;
B – 249, 208
Al 394 и
397 нм
В настоящее время разработаны и уже широко используются высоконадежные многоканальные микропроцессорные приборы контроля, обеспечивающие реализацию самых сложных алгоритмов
эмиссионного спектрального контроля с одновременным учетом телеметрии иного рода. Современные спектральные датчики используют в качестве фотоэлектрических преобразователей фотодиоды, что
обусловливает их малогабаритность, надежность и достаточно высокую стабильность характеристик.
123
11. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Вся история развития микроэлектроники, начиная с 1958 г.,
шла по пути увеличения сложности и многообразия ее продукции,
увеличения быстродействия, уменьшения линейных размеров
элементов и удешевления стоимости изделий в целом. Можно
предположить, что эта тенденция сохранится и в ближайшем будущем, хотя темпы совершенствования будут постепенно замедляться, ибо уже сейчас некоторые из параметров достигают своего
физического предела. Так, прогнозируемые предельно допустимые линейные размеры элементов составляют 0,25 мкм, хотя состояние и возможности лучевых методов сухой технологии открывают возможность получения приборов с линейными размерами 10 – 20 нм [8]. Предельно минимальное значение мощности,
способное обеспечить функционирование прибора при Т = 300 оС,
составляет 1мкВт, предельное значение показателя качества (произведение времени переключения на потребляемую мощность) составляет 10 –14 Дж, что является ограничением по плотности упаковки элементов ИМС и их быстродействию. При переходе предельных значений физических ограничений возникают различного
рода квантовые эффекты, и известные активные элементы интегральных схем перестают нормально функционировать. К счастью, указанные пределы пока не достигнуты и можно надеяться
на дальнейший прогресс в миниатюризации, главным образом за
счет совершенствования технологии, начиная с компьютерного
проектирования, перевода литографических процессов в ультрафиолетовую и рентгеновскую область, использования новых широкозонных полупроводниковых материалов на основе углерода и
органических полупроводников и, наконец, переход на исключительно вакуумно-плазменную технологию и ее совершенствование
путем применения избирательной стимуляции, о которой речь
пойдет ниже, и применения высокоточных автоматических систем
контроля и управления.
О важности механической миниатюризации говорят следующие примеры: при уменьшении линейных размеров элементов в
два раза время задержки сигнала на один вентиль также уменьшится в два раза, а потребляемая мощность уменьшится в 2 2 раза.
124
При этом произведение быстродействия на мощность (энергия,
потребляемая на переключение) уменьшится в 2 3 раза. Если область эмиттера уменьшить до 0,2 – 0,1 мкм, то существенно
уменьшатся и параметры пассивных паразитных элементов (RC).
Однако нельзя забывать, что при этом возникнут новые проблемы,
связанные с «эффектом короткого канала», токами утечки, появлением паразитных активных элементов и рядом других явлений,
ныне неизвестных.
11.1. Избирательная радиационная стимуляция
плазменных технологических процессов
Переход от жидкостно-химической технологии на ионноплазменную сыграл существенную роль в процессе миниатюризации
и позволил продвинуться в субмикронную область. Все это оказалось
возможным благодаря существенному увеличению показателя анизотропии. Однако, следует заметить, что в газоразрядной плазме происходит интегральная активация, т. е. дополнительная энергия сообщается всем компонентам газовой среды, хотя это не всегда необходимо,
ибо, кроме энергетических затрат, стимулируются нежелательные
процессы. В связи с этим напрашивается поиск избирательной стимуляции. Кое что в этом направлении уже используется. Например,
понижая давление в реакционной камере, имеется возможность повышать в газовом разряде энергию электронной компоненты при относительно низкой температуре тяжелых частиц, что позволяет реализовать многие технологические процессы при более низкой температуре. При этом высокая энергия электронов обеспечивает устойчивое горение газового разряда и повышение реакционной способности
молекул газа за счет их диссоциации, возбуждения и ионизации.
Положительная возможность избирательной стимуляции иллюстрируется рис. 11.1, где приведена зависимость скорости плазменного травления кремния в среде XeF2 при активации поверхности ионами аргона.
Как видно из рисунка, скорость травления кремния в XeF2 относительно мала, а в среде аргона практически отсутствует из-за низкой
энергии ионов, недостаточной для физического распыления, и существенно возрастает при одновременном воздействии реактивного газа
и бомбардировки поверхности ионами аргона при неизменных параметрах раздельного травления.
125
V, нм/с
0,10
XeF2
XeF2 + Ar+
Ar+
0,05
0,00
100
300
500
700
, c
Рис. 11.1. Сравнение скорости вакуумно-плазменного травления
кремния в XeF2 при избирательном ионном стимулировании
В настоящее время избирательное стимулирование используется
в некоторых плазменных процессах нанесения и удаления тонких поверхностных слоев и называется «ассистированием», т. е. сопровождением.
Кроме ионного, избирательное стимулирование может быть
реализовано дополнительным воздействием электронов, лазерным
излучением и другими способами, поэтому его можно охарактеризовать общим термином избирательного радиационного стимулирования. Если использовать физический принцип классификации,
то можно говорить об ионном (ИСТ), электронном (ЭСТ) и фотонном (ФСТ) радиационном стимулировании.
Радиационное стимулирование можно реализовать на любой
стадии технологического процесса путем воздействия как на газовую среду в объеме реакционной камеры, так и на обрабатываемую поверхность (объемная и поверхностная стимуляция соответственно).
Отличительной особенностью избирательного радиационного
стимулирования является независимость источника стимуляции.
При оптимальном использовании независимых стимуляторов
можно существенно увеличить скорость травления и его анизо126
тропию, уменьшить количество радиационных дефектов и в итоге
повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции.
11.2. Функциональная микроэлектроника
В современной микроэлектронике при создании интегральных схем сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанный на разработке электрических схем по законам
теории цепей с применением дискретных элементов: диодов, триодов, пассивных элементов и соединений между ними. И хотя
процесс изготовления интегральных схем, основанный на планарной технологии с применением технологической интеграции и
группового способа изготовления, существенно отличается от
прежних методов, идеология создания радиоэлектронных
устройств в целом сохраняется. Обобщенно можно констатировать, что принцип функционирования активных элементов как
электроники, так и микроэлектроники основан на создании и использовании статических неоднородностей в твердом теле, в
данном случае в полупроводниковых материалах. Основным недостатком этих элементов является физический предел уменьшения их линейных размеров.
Согласно статистическому прогнозированию к концу текущего столетия в технологии СБИС и ОЗУ с произвольной выборкой
(ЗУПВ) будет достигнут уровень интеграции 256 Мбит; минимальные размеры элементов будут равны 0,2 мкм; одна ячейка
памяти будет занимать площадь 0,7 x 1,0 мкм. Это потребует снижения температуры технологических процессов до 800 оС и преодоления других ограничений. Указанные параметры близки к
предельным с точки зрения физических явлений, на основе которых базируется функционирование дискретных элементов.
Кроме того, интеграция свыше нескольких тысяч элементов
на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной,
а технологически трудно выполнимой. Поэтому, в недалекой перспективе интегральная микроэлектроника в своем развитии встретит непреодолимые препятствия, как это было с ламповой электроникой, а затем с дискретной полупроводниковой.
127
Учитывая это обстоятельство, необходимо искать новые физические принципы построения активных и пассивных элементов,
свободных от указанного выше предела миниатюризации. Такими
принципами могут быть динамические неоднородности физических параметров в твердых и жидких средах, что может быть положено в основу нового направления в электронике, именуемого
функциональной микроэлектроникой.
Функциональная микроэлектроника позволяет использовать
принципиально новый подход при создании аппаратных средств
для обработки информации, основанный непосредственно на физических явлениях в твердом теле без применения стандартных
базовых элементов. Сущность этого нового подхода заключается
в переходе от использования статических неоднородностей в
твердом теле на динамические, управляемые внешним воздействием.
Элементы функциональной микроэлектроники не столь критичны к величине линейных размеров и могут быть изготовлены
как на базе полупроводников, так и на диэлектриках, сегнетоэлектриках, сверхпроводниках, магнитных и других материалах.
Отметим, что уже в настоящее время создано ряд устройств,
работающих на принципах функциональной микроэлектроники.
Это диоды Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные линии задержки и ряд других.
Остановимся вкратце на тех физических явлениях, которые
могут быть использованы или частично уже используются в
приборах отдельных направлений функциональной микроэле ктроники.
Оптоэлектроника. В основе оптоэлектроники, в том числе и
в микроэлектронном исполнении, лежат оптические явления в
различных средах (когерентная и некогерентная оптика, нелинейная оптика, электроно- и магнитооптика). Свойства световых потоков, такие, как зарядовая нейтральность, отсутствие электрических контактов, высокая несущая частота, большая скорость и
прямолинейность распространения и др., позволяют создавать каналы передачи информации с большой полосой пропускания, всевозможные частотные преобразователи, генераторы, усилители и
128
другие устройства без традиционных активных элементов. Эти
возможности и способствовали зарождению и развитию одного
из направлений функциональной микроэлектроники – оптоэлектроники.
Акустоэлектроника использует физические явления, связанные с
взаимодействием потока электронов и электронной проводимости
с акустическими волнами в твердом теле. Особенность этих явлений связана с малой скоростью распространения акустических
волн (10 3 м/с) по сравнению с электромагнитными (3 x 10 8 м/с), что
позволяет реализовать миниатюрные линии задержки сигналов,
фильтры и усилители на поверхностных акустических волнах
(ПАВ) и ряд других устройств нового направления электроники и
микроэлектроники – акустоэлектроники.
Магнитоэлектроника базируется на магнитных явлениях в
новых магнитных материалах, обладающих малой намагниченностью насыщения, что позволяет управлять движением магнитных
доменов в трехмерном пространстве слабым магнитным полем и
осуществлять функции хранения (памяти), и перемещения, выборки и обработки больших объемов информации. Размеры одного магнитного «диода» составляют порядка 1 мкм, что позволяет
достичь плотности информации порядка 10 8 бит/см2. Хранение информации осуществляется без питания, а перемещение доменов –
с малым рассеянием мощности.
Полупроводниковая функциональная микроэлектроника использует покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности в полупроводниковых материалах. Одним из приборов, работающих на этом явлении, является диод Ганна. Эффект Ганна заключается в генерации электрических сигналов высокой частоты
путем перемещения под действием постоянного электрического
поля неоднородностей проводимости в полупроводниковых материалах. Уже сейчас изготавливаются диоды Ганна, представляющие собой небольшой стержень полупроводникового материала и
ничего общего с понятием диода не имеющего, генерирующие колебания в области сотен гигагерц. На этом явлении могут быть изготовлены сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически
до 10 –12 с).
129
Квантовая микроэлектроника базируется на явлениях, связанных с изменением структуры конденсированных сред на молекулярном уровне. К этим явлениям относятся базовые изменения
в твердых и жидких кристаллах, сопровождающиеся резким изменением электрических, оптических и магнитных свойств.
Приборы с зарядовой связью (ПЗС) – это по существу набор
миниатюрных МОП структур, позволяющий реализовать плотное
размещение элементов до 10 18 см–2. Такие структуры устойчивы к
непроизвольным потерям информации.
В принципе приборы функциональной микроэлектроники
можно создавать и на основе других физических явлений: эффекте
Джозефсона, холодной электронной эмиссии и др.
Наконец, к функциональной микроэлектронике следует отнести практически совершенно неизученные явления живой природы на молекулярном уровне, позволяющие осуществлять обработку колоссального объема информации. Все это относится к
биоэлектронике.
Возникает вопрос, почему эти перспективные направления в
микроэлектронике слабо развиваются. Причин, по нашему мнению, две: 1) пока потребности человека в информационной деятельности удовлетворяются с помощью обычной микроэлектроники, которая еще не исчерпала своих возможностей; 2) на сегодняшний день сами физические явления и их возможности, которые могут быть положены в основу изделий функциональной
микроэлектроники, еще недостаточно изучены.
В заключение следует отметить, что в современной микроэлектронике, начиная с проектирования и всего технологического
цикла изготовления СБИС, еще имеются неиспользованные резервы ее совершенствования по всем основным параметрам.
130
ЛИТЕРАТУРА
1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника / Физические и
технологические основы, надежность. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1986. 461 с.
2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио, 1980. 422 с.
3. Алексеенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника / Под ред.
И. П. Степаненко. М.: Радио и связь, 1982. 410 с.
4. Свирид В. А. Микросхемотехника аналоговых электронных устройств. Мн.:
Дизайн ПРО, 1998. 255 с.
5. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых
приборов и интегральных схем. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1986. 361 с.
6. Таиров Ю. М., Цветкова В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.: Высш. шк., 1983. 270 с.
7. Парфенов О. Д. Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов. М.:
Высш. шк., 1986. 319 с.
8. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микроэлектроники: Пер. с англ.
В. А. Володина и др. / Под ред. А. В. Шалимова. М.: Мир, 1985. 494 с.
9. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с англ.
С. И. Баскакова. / Под ред. В. А. Терехова. М.: Высш. шк., 1991. 284 с.
10. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. Н. Айнспрука и
Д. Брауна: Пер. с англ. Ю. А. Золотарева и др.; под ред. Е. С. Машковой. М.: Мир,
1987. 469 с.
11. Митрофанов О. В., Симонов Б. М. Коледов Л. А. Микроэлектроника / Физические основы функционирования изделий микроэлектроники / Под ред.
Л. А. Коледова. М.: Высш. шк., 1987. 167 с.
131
Учебное издание
Лабуда Антон Антонович
Никифоренко Николай Николаевич
ФИЗИЧЕСКАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
В авторской редакции
Технический редактор Т. К. Раманович
Корректор Л. В. Рутковская
Подписано в печать 15.03.2001. Формат 60 х 84 / 16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,02. Уч.-изд. л. 8,7. Тираж 150 экз. Зак.
Налоговая льгота – Общегосударственный классификатор
Республики Беларусь ОКРБ ОО7-98, ч. 1; 22.11.20.600.
Белорусский государственный университет.
Лицензия ЛВ № 315 от 14.07.98.
220050, Минск, проспект. Франциска Скорины, 4.
Отпечатано в издательском центре БГУ.
Лицензия ЛП № 284 от 21.05.98.
220030, Минск, ул. Красноармейская, 6.
132