Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Курсовая работа по дисциплине:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ»
Курсовая работа по дисциплине:
«Физико-химические основы технологии материалов электронной
техники»
Вариант 05-03
Выполнила Егорова О.П.
группа 8208
Преподаватель Медведева Н.Ю.
2011 г.
Содержание
Основные теоретические сведения ……………………………………………………...…..3
1.1 Расчет констант равновесия …………………………………………………………......5
1.2 Определение степени превращения в химической системе……………………….…..6
1.3 Расчет зависимости парциальных давлений газообразных агентов ………….….…...7
1.4 Расчет температурных зависимостей ΔG2(Т,а) и ΔG3(Т,а) для заданных а ……….…9
1.5 Определение области равновесия газовой фазы и требуемой стехиометричной
твердой фазы…………………………………………………………………………………10
2.1 Построение зависимости коэффициента диффузии и распределения концентраций
примесей……………………………………………………………………………………....11
Вывод………………………………………………………………………………………….14
Использованная литература………………………………………………………………….15
2
Основные теоретические сведения.
Процессы осаждения из газовой фазы полупроводниковых, диэлектрических и
проводящих слоев обладают рядом преимуществ по сравнению с методами вакуумного
осаждения, которые могут казаться более простыми и технологичными. Применение
газовой эпитаксии обеспечивает высокую производительность процесса осаждения и
структурное совершенство слоев, достигаемое благодаря равновесному термализованному
режиму осаждения компонентов и газовому травлению подложек.
Высокой эффективностью обладают технологические процессы восстановления
галогенидов (хлоридов, фторидов, бромидов, иодидов) водородом. Наряду с галогенидами
применяются технологические процессы восстановления металлорганических соединений
химических элементов. Наибольшее распространение получили газотранспортные
химические реакции (ГТХР) с участием хлоридов, например, процесс получения
эпитаксиальных полупроводниковых слоев восстановлением тетрахлорида кремния
(SiCl4).
SiCl 4 ( газ ) 2 H 2( газ )  Si ( тв)  4 HCl ( газ )
В реальных условиях при температурах 1150 – 1250оС эта реакция сопровождается
аналогичными газофазными реакциями, в правой части которых вместо Si(тв) стоят
газообразные продукты – дихлорид SiCl2 и трихлорсилан SiHCl3.
Термодинамические данные химической системы Si – H – Cl представлены в
таблице 3 (см. разд. 4). В этой же таблице представлены термодинамические данные для
других химических систем, которые необходимы для выполнения заданий, связанных с
термодинамическим анализом газотранспортных химических реакций.
Метод ГТХР применяет химический транспорт труднолетучих химических
компонентов, которые с помощью обратимой гетерогенной реакции переводятся в зоне
источника из твердой фазы в газовую, а затем в зоне синтеза происходит обратный
перевод продукта реакции из газовой фазы в твердую. При этом синтез требуемой
твердой фазы осуществляется на поверхности подложки, что приводит к
эпитаксиальному наращивания монокристаллических слоев полупроводников с высокой
степенью морфологического, структурного и электрофизического совершенства. С этой
целью в газовый поток, создаваемый за счет газа - носителя (водорода H2 или инертного
газа), вводится так называемый транспортный агент. Его основная функция осуществлять травление твердого полупроводникового материала с образованием
газообразных продуктов реакции, переносимых общим потоком из зоны травления в зону
осаждения.
3
Примером применения ГТХР в открытой проточной камере является хлоридный
метод эпитаксии арсенида галлия в
системе GaAs – AsCl3 – H2. В реактор
T1
T2
T3
подается газ-носитель H2, насыщенный
парами AsCl3
Взаимодействие
между
водородом и хлоридом мышьяка во
H2 + AsCl3
входной зоне дает газо-образные
продукты HCl и As4, которые
Ga (ж)
подложка
поступают
в
зону
источника,
Рис. 1
содержащую лодочку с жидким
галлием. Здесь газообразный мышьяк насыщает расплав галлия с образованием на его
поверхности твердого слоя GaAs. Таким образом, химическая реакция имеет следующий
вид:
4GaAs (тв )  4HCl ( газ)  4GaCl ( газ)  2 Н 2 ( газ)  As 4 ( газ)
В зоне источника реакция смещена вправо, в сторону газообразных продуктов. Поскольку
реакция является эндотермической, то кристаллизация арсенида галлия на подложке
происходит при пониженной относительно источника темпратуре
Диффузионная задача с неограниченным источником
Стадии загонки примеси соответствует модель неограниченного поверхностного
источника, и на данной стадии справедливы
следующие начальные и граничные условия:
С ( x, t ) t  0  0 ; при  0  x  
C ( x, t ) x  0  C s ; C ( x, t ) x    0
при t  0
(3.4)
Решение уравнения (3.2) имеет следующий
вид:
C ( x, t )  C0 erfc
x
2 Dt
где С0 – поверхностная кон-центрация
Рис.
примесных атомов,
4 обеспечиваемая внешней средой с неограниченным количеством
примеси.
4
Часть 1. Химическое осаждение GaP из газовой фазы в системе
GaP-H2O-H2
1.1 Расчет констант равновесия
Первоначально следует записать наши газотранспортные реакции:
1. 2GaP+H2O=H2+Ga2O+P2
3
1
1
2. GaP  H 2  Ga2 O3  H 2  P2
2
3
3
3. 2GaP  2Ga  P2
Затем для каждой реакции вычислю H 298 , S 298 – стандартный тепловой эффект,
стандартную энтропию. Так как мы работаем в первом приближении, то будем считать,
что
0
0
GT0  H T0  TST0
В итоге получаем для 1 реакции:
2GaP+H2O=H2+Ga2O+P2
0
=-356+144-2*(-88)-(-241.8)=205.8
H 298
0
= 130.7+218.1-2*15.2-188.8=129.6
S 298
Для 2 реакции:
3
1
1
GaP  H 2  Ga2 O3  H 2  P2
2
3
3
1
1
3
0
= * (1089.1)  *144  * (88)  (241.8)  58.767
H 298
3
3
2
1
1
3
0
= * 85  130.7  * 218.1  * (15.2)  188.8  20.133
S 298
3
3
2
Для 3 реакции:
2GaP  2Ga  P2
0
= 2*5.6+144-2*(-88)=331.2
H 298
0
=2*40.8+218.1-2*15.2=269.3
S 298
Затем построим графики зависимостей констант равновесия от температуры.
 G ( T )
R T
Kp( T)  e
,
где G  H T  TST
0
T
0
0
5
0.1
0.08
Kp3( T )
0.06
Kp2( T )
Kp1( T )0.04
0.02
0
110
800
3
1.210
3
T
Рис.2 Зависимость констант равновесия от температур
1.2 Определение степени превращения в химической системе.
Для того, чтобы определить степень превращения, нужно построить график зависимости
ее от температуры:

K P1 (T ) 
4х
 1
 1
K P1 (T ) 
Kp1( T) 
4a
 2х 
( T a) 
 1 
 1
2a
Kp1( T)


(T , х) 
3
 ( T 0.005)
 ( T 0.02) 2
 ( T 0.04)
 ( T 0.08)
 ( T 0.1)
1
0
800
110
3
3
1.210
T
Рис. 3 Зависимость степени превращения от температуры для 1 реакции
6
( T a) 
Kp2( T)
2a


 1 
4a
Kp2( T)


 1
4
 ( T 0.005)3
 ( T 0.02)
 ( T 0.04)
 ( T 0.08)
2
 ( T 0.1)
1
0
800
110
3
3
1.210
T
Рис. 4 Зависимость степени превращения от температуры для 2 реакции
40
 ( T 0.005)30
 ( T 0.02)
 ( T 0.04)
 ( T 0.08)
20
 ( T 0.1)
10
0
800
110
3
1.210
3
T
Рис. 5 Зависимость степени превращения от температуры для 3 реакции
1.3 Расчет зависимости парциальных давлений всех газообразных агентов от
температуры и относительной влажности.
Общее давление, при котором происходит газотранспортный химический процесс
равен Р, тогда сумма парциальных давлений газовых компонентов будет равна:
p  p H 2  p H 2O  pGa2O  p As2  Р
7
Для водорода :
3
Ph2( T a)  5 10 
( 1  ( T a) a)
3
Ph2( T a)  5 10 
1  ( 1  2 ( T a) )a
( 1  ( T a) a)
1  ( 1  2 ( T a) )a
5.510
3
510
3
4.510
3
Ph2( T 0.005)
Ph2( T 0.02)
Ph2( T 0.04)
Ph2( T 0.08)
Ph2( T 0.1)
800
110
3
1.210
3
T
Рис.6 Зависимость парциального давления от температуры и относительной
влажности для водорода
Для воды:
3
Ph2o( T a)  5 10 
[ ( 1  ( T a) )a]
1  ( 1  2 ( T a) )a
Ph2o( T 0.005)
400
Ph2o( T 0.02)
Ph2o( T 0.04)
Ph2o( T 0.08) 200
Ph2o( T 0.1)
0
800
110
3
1.210
3
T
Рис.7 Зависимость парциального давления от температуры и относительной влажности
для воды
8
Для оксида галлия:
( T a) a
3
Pga2o( T a)  5 10 
1  ( 1  2 ( T a) )a
400
Pga2o( T 0.005)
Pga2o( T 0.02)
300
Pga2o( T 0.4)
Pga2o( T 0.08)
200
Pga2o( T 0.1) 100
0
110
800
3
1.210
3
T
Рис.8 Зависимость парциального давления от температуры и относительной
влажности для оксида галлия
1.4 Расчет температурных зависимостей ΔG2(Т,а) и ΔG3(Т,а) для заданных а
Для термодинамической оценки возможности подавления конкурирующих реакций
необходимо рассчитать их изобарный потенциал ΔG для давлений в системе, полученных
из расчета состава газовой фазы, созданного основной реакцией (1). Такую газовую фазу
принято называть стехиометрической. Уравнение Вант-Гофа для конкурирующих реакций
принимает следующий вид:
Для реакции 2:
( Ph2( T a)  Pga2o( T a) ) 

G2( T a)  R T ln
  ln( Kp2( T) )
Ph2o( T a)
 


5
110
G2( T 0.005)
4
510
G2( T 0.02)
G2( T 0.04)
G2( T 0.08)
G2( T 0.1)
0
4
 510
5
 110
5
 1.510
0
110
500
3
T
Рис.9 Зависимость изобарного потенциала от температуры и относительной влажности
для 2 реакции
9
Для реакции 3:
G3( T a)  R T ( ln( Pga2o( T a) )  ln( Kp3( T) ) )
G3( T 0.005)
210
5
1.510
5
110
5
510
4
G3( T 0.02)
G3( T 0.04)
G3( T 0.08)
G3( T 0.1)
0
 510
4
0
110
500
3
T
Рис.10 Зависимость изобарного потенциала от температуры и относительной влажности
для 3 реакции
1.5 Определение области равновесия газовой фазы и требуемой стехиометрической
твердой фазы
Для того,чтобы найти эту область, нужно построить график зависимости температуры от
относительной влажности. Для этого на Рис. 9 и 10 находим точки пересечения с 0 и
откладываем их на оси у:
370
360
350
340
G2
G3
330
320
310
300
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Рис.11 Область равновесия газовой фазы и требуемой стехиометрической твердой фазы
10
Часть 2. Диффузионное легирование полупроводников.
2.1 Построение зависимости коэффициента диффузии от температуры
В нашем случае фосфор будет являться донором, а бор – акцептором. Считаем, что
диффузия ведется из неограниченного источника.
1. Расчет в 1 режиме диффузии
Тд=1100оС, tд=2ч., Та=1200оС, ta=1ч
Коэффициент диффузии D выражается в соответствии с законом Аррениуса:
 Ea 
D  D0 exp 

 kT 
Для доноров коэффициент равен 1.2*10-16, для акцепторов - 7.98*10-29
Коэффициент диффузии для стандартной температуры, при энергии активации доноров,
но при температуре диффузии акцепторов равен 3.13*10-15
Затем нужно построить график распределения примесей. Будем пользоваться формулами:
2
x
Ca( x)  Coa e
Cd ( x)  C0 erfc


 2 Dd  td 
4 ( Da  ta  Dda  td)
x
20
110
19
810
Ca( x)
19
610
Cd( x)
19
410
C
19
210
0
5
5
110
210
5
310
x
Рис.12 Распределение доноров и акцепторов
Затем посмотрим общее распределение примесей. Для этого нужно воспользловаться
формулой:
Cc( x)  Cd ( x)  Ca( x)  C
11
110
20
110
19
110
18
110
17
110
16
110
15
Cc( x)
0
110
5
210
5
310
5
x
Рис.13 Общее распределение примесей
По данной зависимости можно определить глубину залегания, это есть пересечение
графика с нулем. Итого x1=2.4*10-6, x2=2.3*10-5
2. Расчет во 2 режиме диффузии
Тд=1250оС, tд=1ч., Та=1100оС, ta=2ч
Для доноров коэффициент равен 1.3*10-14, для акцепторов - 1.4*10-30
Коэффициент диффузии для стандартной температуры, при энергии активации доноров,
но при температуре диффузии акцепторов равен 1.2*10-16
Ca2( x)
110
21
810
20
610
20
410
20
210
20
Cd2( x)
C
0
5
110
210
5
310
5
x
Рис.14 Распределение доноров и акцепторов
Рис.15 Общее распределение примесей
Глубина залегания x=3.25*10-5
12
Cc2( x)
110
24
110
23
110
22
110
21
110
20
110
19
110
18
110
17
110
16
110
15
0
110
5
210
5
310
5
x
Рис.15 Общее распределение примесей
Глубина залегания x=3.25*10-5
13
Вывод.
В ходе выполнения курсового проекта были рассчитаны константы равновесия для всех 3
газотранспортных реакций. И построены графики их зависимостей от температур. Как
видно из этих графиков, значения констант растут вместе с увеличением температуры.
Также была построена зависимость степени превращения от температуры и
относительной влажности. По ней видно, что чем больше влажность, тем больше значение
степени превращения при той же температуре. Далее была построена зависимость
парциального давления от температуры и относительной влажности для водорода. Было
выявлено, что для водорода чем больше относительная влажность, тем ниже значение
парциального давления; для воды чем больше относительная влажность, тем больше
парциальное давление; для оксида галлия результаты весьма странные: минимуму
влажности соответствует минимум давления, среднему значению влажности
соответствует максимум давления, максимальному значению влажности соответствует
второе по величине значения давления. Были построены зависимости изобарного
потенциала от температуры и относительной влажности для 2 и 3 реакций. Для 2
характерно то, что максимум потенциала достигается при минимальном значении
влажности при одном и том же значении температуры, с ростом оной растет и потенциал.
Для 3 очевидно, что при увеличении температуры увеличивается и значение потенциала,
максимуму же влажности отвечает максимум потенциала. Были рассчитаны
коэффициенты диффузии для 1 режима: для доноров 1,2*10-16, для акцепторов 7,98*10-29.
Глубина залегания равна 2,4*10-6 и 2,3*10-5. Для 2 режима для доноров 1,3*10-14, для
акцепторов 1,4*10-30. Построены зависимости коэффициентов от температура. С ростом
температуры величина коэффициента также возрастает.
14
Использованная литература
1. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Физикохимические основы технологии материалов и изделий микроэлектроники»
Сост.: А.А. Барыбин, С.Ф. Карманенко, А.А. Семенов; СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,
Санкт-Петербург, 2004.  32 с.
2. Интернет (извините, я не помню ссылок)
15