Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Технология эпитаксиальных слоев и гетерокомпозоций

Покупка
Артикул: 753429.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Даны краткая история и пути и перспективы развития микроэлектроники, в частности, в области технологии эпитаксиальных гетерокомпозиций. Кратко описаны процессы парофазной эпитаксии химическим осаждением и жидкофазной эпитаксии кремния, соединений A"'BV и их твердых растворов, применяемого оборудования. Приведены математические модели этих процессов, включающие термодинамический и кинетический блоки. При получении гетерокомпозиций учитываются упругие напряжения и рассматриваются пути их устранения, в частности, создание изопериодных композиций и сверхрешеток. Кроме того, приведены восемь комплексных задач для самостоятельного вычислительного эксперимента при выборе параметров процесса, а также процедура решения задач с использованием разработанного пакета программ на ПЭВМ. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 200100 (направление 654100), а также для научных сотрудников и инженеров-технологов, занимающихся разработкой систем управления и оптимизации технологических процессов.
Кожитов, Л. В. Технология эпитаксиальных слоев и гетерокомпозоций : учебно-методическое пособие / Л. В. Кожитов, В. В. Крапухин, В. А. Улыбин. - Москва : ИД МИСиС, 2001. - 158 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1239512 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№ 1629 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС C^ 

Кафедра технологии материалов электроники 

Л.В. Кожитов, В.В. Крапухин, В.А. Улыбин 

ТЕХНОЛОГИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ 
И ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ 

Учебно-методическое пособие 
для студентов специальности 200100 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

МОСКВА 2001 

УДК 621.315.5:538.971 
К58 

Кожитов Л.В., Крапухин В.В., Улыбин В.А. Технология эпитаксиальных слоев и гетерокомпозоций: Учеб.-метод, пособие. - M.: 
МИСиС,2001.-158с. 

Даны краткая история и пути и перспективы развития микроэлектроники, в частности, в области технологии эпитаксиальных гетерокомпозиций. 

Кратко описаны процессы парофазной эпитаксии химическим осаждением и жидкофазной эпитаксии кремния, соединений ΑΙΠΒν и их твердых 
растворов, применяемого оборудования. Приведены математические модели 
этих процессов, включающие термодинамический и кинетический блоки. При 
получении гетерокомпозиций учитываются упругие напряжения и рассматриваются пути их устранения, в частности, создание изопериодных композиций и сверхрешеток. 

Кроме того, приведены восемь комплексных задач для 
самостоятельного вычислительного эксперимента при выборе параметров 
процесса, а также процедура решения задач с использованием разработанного 
пакета программ на ПЭВМ. 

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 200100 
(направление 654100), а также для научных сотрудников и инженеровтехнологов, занимающихся разработкой систем управления и оптимизации 
технологических процессов. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
5 

Введение. Твердотельная электроника XXI века 
8 

Использование электроники в народном хозяйстве 
8 

Интегральные схемы (состояние и развитие) 
10 

Литография 
11 

Металлизация 
12 

Гетеропереходы 
13 

Функциональная электроника (принципы и перспективы) 
14 

1. Общие вопросы получения эпитаксиальных композиций 
15 

1.1. Дизайн эпитаксиальных композиций 
15 

1.2. Оценка качества микросхем 
16 

1.3. Материалы микро- и оптоэлектроники 
19 

1.4. Подготовка пластин к эпитаксии 
21 

2. Получение эпитаксиальных слоев кремния методом 
парофазной эпитаксии химическим осаждением 
24 

2.1. Исходные соединения кремния 
24 

2.2. Установки для эпитаксии кремния 
28 

2.3. Математическая модель и процедура проведения 
вычислительного эксперимента 
30 

Задача 1. Исследование термодинамического равновесия 
при ПФЭХО кремния 
39 

Задача 2. Исследование кинетики роста и выбор 
параметров процесса ПФЭХО кремния 
56 

3. Получение эпитаксиальных слоев соединений группы ΑΙΠΒν 

методом ПФЭХО 
60 

3.1. Общие сведения о соединениях группы A111Bν 
60 

3.2. Методы ПФЭХО 
62 

3.3. Легирование эпитаксиальных слоев соединений A111Bν 
70 

3.4. Математическая модель хлоридно-гидридного метода 
получения эпитаксиальных слоев соединений A111Bν 

и их твердых растворов 
71 

Задача 3. Исследование равновесного состава фаз 
при ПФЭХО твердых растворов соединений ΑΙΠΒν 
79 

Задача 4. Исследование кинетики роста 
автоэпитаксиального слоя GaAs на подложке 
с ориентацией (100) в хлоридно-гидридном процессе 
89 

3 

4. Получение эпитаксиальных слоев методом жидкофазной 
эпитаксии 
93 

4.1. Изотермические и неизотермические процессы ЖФЭ 
93 

4.2. Оборудование для проведения ЖФЭ 
96 

4.3. Регламент проведения процесса ЖФЭ 
99 

4.4. Изотермические методы ЖФЭ 
101 

4.5. Математическая модель ЖФЭ соединений ΑΙΠΒν 

и их твердых растворов 
107 

Задача 5. Исследование равновесия раствор-расплав эпитаксиальный слой при жидкофазной эпитаксии 
трехкомпонентных твердых растворов соединений ΑΙΠΒν типа 
A1 В С 
115 

1-х 
χ 

Задача 6. Исследование кинетики жидкофазной эпитаксии 
трехкомпонентных твердых растворов 
соединений ΑΙΠΒν в диффузионном режиме 
126 

4.6. Жидкофазная эпитаксия кремния 
126 

5. Получение эпитаксиальных гетерокомпозиций 
130 

5.1. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях 
130 

5.2. Упругие напряжения в эпитаксиальных гетерокомпозициях ... 134 
Задача 7. Исследование роста упругонапряженных 
гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов 
ΑΙΠΒν методом ЖФЭ 
142 

5.3. Пути повышения структурного совершенства 
гетерокомпозиций 
146 

Задача 8. Выбор состава и процесса получения 
изопериодной гетерокомпозиций 
155 

Библиографический список 
157 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

На завершающей стадии подготовки инженера по специальности 200100 «Микроэлектроника и тверд од ельная электроника» (направление 654100 «Электроника и микроэлектроника») учебным планом 
предусмотрено чтение курсов по более узкой специализации. Используя накопленные студентом знания по фундаментальным общенаучным 
дисциплинам и предметам общеинженерной подготовки, необходимо 
научить будущего специалиста самостоятельно решать новые задачи, 
возникающие в практической работе. 

Курс «Технология эпитаксиальных гетерокомпозиций» имеет 
важное значение, поскольку эпитаксиальные слои широко применяются при создании современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). 

Широкому использованию эпитаксиальных слоев способствует в ряде случаев их более высокое качество по сравнению с объемными монокристаллами. Будущее оптоэлектроники связывают с успехами в области эпитаксиальной технологии. 

За большие успехи в использовании гетерокомпозиций академику Ж.И. Алферову присуждена Нобелевская премия. 

Данное пособие является первым пособием по этому курсу, в 
котором технология рассматривается как наука, выявляющая сущность 
и закономерность физических, химических, механических явлений с 
целью совершенствования существующих и разработки новых, более 
эффективных процессов. По современным требованиям технологию 
следует доводить до создания математической модели процесса, что 
позволяет выбирать оптимальные параметры процесса и оборудование 
для его проведения. 

Математическое моделирование технологических процессов 
играет особую роль в микроэлетронике, развитие которой достигло такого уровня, когда чисто экспериментальный подход к разработке и 
оптимизации технологии производства не приемлем из-за дороговизны материалов, энергии, установок, требующихся для проведения физических экспериментов. Это приводит к необходимости создания автоматизированного рабочего места (АРМ) технологов и исследователей. Использование математических моделей для создания автоматических систем управления технологическими процессами (АСУТП) 
имеет особенное значение для электроники с ее прецизионными тех
5 

нологиями и высокими требованиями к качеству изделий. 

Математическое моделирование процессов получения эпитаксиальных гетерокомпозиций - это область, в которой достижения таких наук, как химия и физичская химия, физика полупроводников и 
физическое материаловедение, фундаментальная и прикладная математика дают непосредственный экономический эффект. Достаточно 
полное описание процессов, применяемых в производстве эпитаксиальных гетерокомпозиций, часто оказывается сложным и требует построения физических моделей высокого уровня, для проверки которых 
требуется постановка тончайших экспериментов. Не следует думать, 
что моделирование может полностью избавить от проведения физических экспериментов, так как для превращения теории в инструмент 
моделирования необходимо знание численных значений входящих в 
нее параметров, получаемых часто лишь в эксперименте. Также без 
дальнейшего экспериментального подтверждения выходных параметров моделирования бессмысленно использовать формальный аппарат 
решения исходных уравнений моделей. 

Матеметическое моделирование позволяет выявлять новые закономерности, связи исходных и базовых переменных модели, фундаментализировать их описания, что часто невозможно сделать чисто 
аналитически из-за сложности и громоздкости математического описания процессов. Алгебро-дифференциальные уравнения связи между 
параметрами модели во многих случаях можно решить лишь численными методами. Моделирование сейчас идет по пути использования 
универсальных ЭВМ высокого уровня. 

Трудно переоценить роль компьютерного моделирования в учебном процессе, когда имеется возможность самому студенту произвести вычислительный эксперимент, установить характеризующие технологический процесс параметры и зависимости, получить конкретные 
результаты, и все это - без затраты средств на проведение физического 
эксперимента и соответствующих измерений, не говоря уже о значительной экономии времени. Обучающийся получает возможность решить вполне конкретную технологическую задачу «до числа» или искомой зависимости. 

Существует ряд методов построения моделей технологических 
процессов, но, так как рассматриваемые процессы описываются химическими и квазихимическими реакциями и материальным балансом 
атомов, можно считать, что наиболее универсальным подходом явля
6 

ется создание модели, состоящей из трех блоков: 

Термодинамический блок - расчет состава фаз при равновесии. 
Блок материального баланса - исследование распределения элементов между продуктами процесса, равновесных выходов элементов, 
коэффициентов перехода примеси. 

Кинетический блок - исследование процессов роста эпитаксиальных слоев в реальных условиях, выявление лимитирующей стадии 
процесса. 

При написании пособия использованы источники по общей теории процессов полупроводниковой технологии [1-4], расчетам технологических процессов [5] и др. 

В главе 1 рассмотрены общие вопросы получения эпитаксиальных гетерокомпозиций. 

В главах 2 -4 рассматриваются процессы парофазной эпитаксии химическим осаждением (ПФЭХО) и жидкофазной эпитаксии 
(ЖФЭ) кремния и соединений ΑΙΠΒν, дается краткое описание сущности процесса и его математическое описание. Предлагаются задачи для 
проведения вычислительного эксперимента с использованием персонального компьютера. 

Гетерокомпозиций получают с испоьзованием названных процессов эпитаксии. Особенности их получения рассмотрены в последней главе. 

Пособие предназначено для подготовки к практическим занятиям и для использования при самостоятельной работе. 

7 

ВВЕДЕНИЕ. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ 
ЭЛЕКТРОНИКА XXI ВЕКА 

Использование электроники в народном 
хозяйстве 

XX век может быть назван: 
- атомным за открытие и реализацию внутренней ядерной энергии; 
- космическим за освоение космоса; 
- веком электроники, прошедшей путь от освоения беспроволочного телеграфа до создания полупроводниковой электроники со 
сверхбольшими интегральными схемами, позволившими сделать компактную аппаратуру для вычислительной техники, радиолокационной 
и дальней связи, автоматического управления, немало содействовавшей освоению ядерной энергией и космосом. 

На современном этапе развития электроники определяющими 
идеями являются [6]: 

- переход от микроэлектроники к наноэлектронике, использующей кристаллические структуры с характерными размерами порядка 10~8 м; 

- создание объемных устройств чрезвычайно малого размера 
(не более 1 см), но представляющих полностью действующий сложный прибор, например, компьютер; 

- функциональная электроника, включающая: оптроны, приборы акустоэлектроники, молекулярной электроники, криогенной электроники, магнето- и теплоэлектроники; 

- твердотельная ионика. 
В кристаллах веществ помимо электронов (на количество 
свободных электронов можно воздействовать нагревом, светом и 
другими видами энергии) могут присутствовать свободные ионы. 
В обычных веществах концентрация свободных ионов ничтожно 
мала, плохо регулируются и они движутся в твердых телах с очень 
малыми скоростями, хотя бы из-за значительно большей массы по 
сравнению с массой электрона. Вместе с тем у некоторых соединений обнаружены аномальные явления. Например, AgI (температура плавления 555 0C) имеет при комнатной температуре удельное 
сопротивление около 0,1 Ом· см, а при 147 0C ионная проводимость 
возрастает в несколько тысяч раз. Высокопроводящие ионные со
8 

единения относят к классу твердых электролитов или супериоников. 
Когда удалось синтезировать соединение Ag4RbI5, суперионики привлекли к себе внимание прибористов. 

Прогресс в развитии твердотельной электроники достигается фундаментальными исследованиями в области физики, физической химии, технологии полупроводников и полупроводникового 
материаловедения. 

Полупроводниковые материалы составляют основу элементной 
базы современной электронной техники. От прогресса в микроэлектронике и СВЧ технике зависят: 

- крупномасштабная компьютеризация; 
- спутниковое и кабельное телевидение; 
- системы связи; 
- медицинская электронная аппаратура; 
- бытовая электронная техника. 
Уровень разработок оптоэлектронных приборов определяет перспективы развития волоконно-оптических линий связи, систем сбора и отображения информации, контроля загрязнения окружающей среды, тепловидения, новейших диагностических средств 
широкого назначения. 

Сильноточные (силовые) полупроводниковые электронные устройства используют: 

- для экономичной передачи электрической энергии на большие расстояния; 

- для развития энергоемких металлургических и химических 
производств; 

- на железнодорожном транспорте; 
- в современных системах электропривода и энергоснабжения; 
- в современных системах автоматического управления различными процессами, в том числе протекающими в экстремальных условиях. 

Полупроводниковые солнечные элементы - экологически чистый источник электрической энергии. 

Термоэлектрические устройства, электронные твердотельные 
детекторы ядерных излучений, высокочувствительные сенсоры - таков далеко не полный перечень использования электронных устройств 
в современной жизни человека. 

Главная задача создателей полупроводниковой техники 
9 

разработка и изготовление полупроводниковых материалов с заданными электрическими, оптическими, фотоэлектрическими, люминесцентными и другими свойствами. Выбор полупроводникового материала и 
придание ему необходимых свойств легированием - задача дизайнера 
полупроводниковых композиций. Указанные задачи находят отражение 
в разработке интегральных микросхем. 

Интегральные схемы 
(состояние и развитие) 

Особенность микроэлектроники заключается в совмещении 
процесса получения материалов с созданием пленочной схемы, включающей активные и пассивные элементы и выполняющей определенную радиотехническую функцию. Наибольшее значение приобрели 
ИМС, изготовленные на одной полупроводниковой пластине по планарной технологии, при которой все технологические операции выполняются последовательно в одном направлении, перпендикулярном поверхности пластины. 

Пример. Исходная пластина - композиция, состоящая из 
подложки Si р-типа проводимости и эпитаксиального слоя (ЭС) 
и-типа проводимости. При нагреве в окислительной атмосфере 
на поверхности ЭС образуется пленка оксида Si (SiO2), которая 
служит защитным слоем для ρ — η переходов будущей ИМС. В 
пленке оксида для дальнейших операций необходимо "вырезать" окна и обнажить полупроводник. Это достигается в процессе литографии. Через окна в пленке SiO2 проводят диффузию акцепторной примеси - бора; в SiO2 бор диффундирует медленно, а в Si - быстро и в области окон получаем р-т\ш проводимости. В результате в пластине будут образованы несколько 
η -^-переходов, образующих диоды. 

Для создания транзисторов, резисторов и конденсаторов методом литографии в слое оксида формируют новые окна, проводят вторичную диффузию бора, но на меньшую глубину и вновь покрывают 
слоем оксида. Этот слой подвергают выборочному травлению и в вытравленные окна проводят диффузию донорной примеси (фосфора), которая позволяет получать эмиттеры транзисторов, катодные участки 
диодов и конденсаторов, а также омические контакты к области и-типа 
проводимости. Процессы диффузии могут быть заменены ионной 

10 

имплантацией легирующих примесей. 

Для создания соединений между компонентами схемы в слое 
оксида в тех местах, где необходимо делать контакты, также вытравливают окна и на поверхность пластины одним из методов осаждают тонкое металлическое покрытие. Таким образом, на поверхности пластины образуются токоведущие дорожки и соединительные металлические контакты между элементами ИМС. 

На пластине формируется одновременно большое число ИМС. 
Окончательной операцией является резка пластины на отдельные ИМС 
с последующим устройством выводов и заключением в корпус. 

Литография 

При планарной технологии необходимо нанесение топограммы 
схемы на пластину. Это выполняется различными методами литографии. 
Среди них наибольшее распространение имеет фотолитография. 

На поверхность пластины наносят слой светочувствительного 
и стойкого к агрессивным средам вещества - фоторезиста. Фоторезисты - органические полимерно-мономерные вещества, в которых при 
облучении протекают фотохимические процессы и в результате повышается (позитивные фоторезисторы) или снижается (негативные фоторезисторы) их растворимость в каком-либо растворителе. 

Нанесенный слой фоторезиста через шаблон облучают таким 
видом излучения, к которому чувствителен данный фоторезист. Шаблон представляет собой стеклянную фотопластинку с нанесенным на 
нее рисунком схемы. Рисунок "переносят" на полупроводниковую пластину с фоторезистом. Открытые, незатененные участки фоторезиста 
задубливают, а остальная часть фоторезиста легко смывается какимлибо растворителем. Через образовавшиеся в фоторезисте "окна" производят химическое травление незащищенных участков полупроводника или других пленок на полупроводнике (металлических, диэлектрических). В результате образуется рельефное изображение. Это контактная фотолитография. 

В проекционной литографии необходим сложный объектив, 
обеспечивающий высокое разрешение (число линий равной толщины, 
нанесенных на 1 мм поверхности) на пластине. Этот метод значительно повышает разрешение, т.е. позволяет увеличить плотность размещения элементов схемы. 

И 

Увеличение плотности элементов позволяет: 
- сделать электронные устройства более компактными, что 
особенно важно для ракетной и спутниковой техники, где габариты, вес и потребляемая мощность питания лимитированы; 

- повысить быстродействие (вычислительная техника); 
-развить оперативную память информации. (Например, при размещении 105 транзисторов на 1 см2 кристалла удастся хранить до 
16- 10б бит информации). 

Использование света в фотолитографии из-за больших длин волн 
светового излучения имеет предел размера отдельных элементов схемы не менее 1 мкм, а уровень интеграции 104. Уровень интеграции 107 

соответствует чувствительным элементам человеческого глаза. Достижение уровня интеграции 107 возможно при замене светового излучения рентгеновским или сфокусированным пучком ускоренных электронов. 

Электронной литографией получены опытные образцы с разрешением 0,13 мкм. Максимально достижимое разрешение в будущем 
0,1 мкм при усовершенствовании и развитии техники литографии. Приблизиться к плотности 107 эл/см2 позволит переход к объемным, трехмерным ИМС. В современных ИМС все элементы располагаются в приповерхностном слое пластины. В объемных ИМС наращивание производится последовательно в несколько слоев. Слои Si располагают между изолирующими слоями из CaF2. 

Металлизация 

Большое значение при изготовлении ИМС имеет получение токопроводящих соединений. При малых размерах элементов 
и большой их плотности по металлическим тонким дорожкам, выполняющим роль соединительных проводов между элементами ИС, 
протекают токи большой плотности. 

Типичная токопроводящая дорожка имеет площадь поперечного сечения порядка 10~8 см2 и по ней течет ток примерно 0,01 А, 
а плотность тока при этом соответствыет 106 А/см2 (в приборах бытовой электротехники при токах 1 А плотность тока составляет не 
более 104 А/см2). 

В ИМС при больших плотностях тока возникает перегрев 
металлических дорожек, вплоть до их расплавления. Кроме того, при 

12 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину