Тема №7
Радіаційні ефекти і їх вплив на властивості легованих шарів.
Досліджено вплив γ-опромінення на кінетичні параметри монокристалів антимоніду кадмію. Вимірювалися питома провідність та ефект Холла, що дало змогу отримати залежності сталої Холла, концентрації носіїв заряду та їх рухливості від температури. Виявлено різке збільшення значень рухливості в опромінених кристалах при дозах опромінення до 4·1018 γ кв/см2, яке пояснюється наявністю так званого «ефекту малих доз». Відзначено, що зростання рухливості носіїв заряду, спостережуване в роботі, виникає не за рахунок підвищення досконалості кристалів при їх радіаційній обробці, а як наслідок − зниження ефективності розсіяння носіїв заряду на домішкових іонних залишках при частковій нейтралізації заряду протилежним за знаком зарядом дефектів.
Опромінення частинками високих енергій – це потужний і добре контрольований метод керування ступенем впорядкованості у твердих тілах. В
результаті опромінення виникають стійкі зміни градієнтів питомого опору внаслідок змін концентрації та рухливості носіїв заряду, зумовлених вторинними радіаційними дефектами. Особливiстю власних дефектiв ґратки монокристалiв CdSb є активна взаємодiя їх з легуючими і неконтрольованими домiшками. Оскiльки технологiя вирощування цього типу напівпровідників ще недосконала, то при невеликих дозах опромiнення введенi радiацiєю дефекти утворюватимуть з неконтрольованими домiшками рiзнi комплекси, що значно ускладнює одержання iнформацiї про роль власних дефектiв ґратки при визначеннi фiзичних властивостей напiвпровiдникiв CdSb. При великих дозах опромiнення концентрацiя радiацiйних дефектiв перевищуватиме концентрацiю неконтрольованих домiшок і роль власних радiацiйних дефектiв у визначеннi фiзичних властивостей напiвпровiдника стає домiнантною.
В ході досліджень отримано температурнi залежностi концентрацiї вiльних носiїв заряду і сталої Холла в неопромiнених й опромiнених зразках CdSb (рис. 1, 2).
До опромiнення нелегованi кристали CdSb за рахунок мiлких акцепторiв з Е1 = 3,65×10–3 еВ і Е2 = 6,2×10–3 еВ, зв’язаних з вакансiями кадмiю (VCd) [2], мали p-тип провiдностi (крива 1 рис. 1). γ-опромiнення нелегованих кристалiв p-CdSb (Ф = 1019 см–2) не зумовлює при Т = 291 K до конверсії типу провiдностi (крива 1′ рис. 1), але концентрацiя дiрок при цьому зменшується майже на порядок і досягає значення 7×1015 cм–3. При такiй концентрацiї вiльних носiїв питома провiднiсть кристалів мало вiдрiзняється вiд власної.
Рисунок 7.1 - Температурна залежність сталої Холла в спеціально нелегованому p-CdSb:
1 – неопроміненому; 1′ – опроміненому γ-квантами 60Co (Ф = 1019 см-2)
Донорні домішки, зокрема телур, активно взаємодіють з VCd. Леговані телуром до концентрації 7×1016 см-3 кристали CdSb<Те> мають концентрацією електронів провідності при Т = 291 K n ≈ 7×1016 cм–3 (крива 2 рис. 2). Температурні показники кривої 2 різко відрізняються від аналогічної кривої 1 для p-CdSb (рис. 2), що не містить телур.
Експоненцiальний характер залежності 2 рисунка 2 показав, що при легуванні телуром монокристалів p-CdSb утворюються дефекти донорного типу з енергiєю iонiзацiї (визначеною з цiєї залежностi), рiвною ЕС − 0,12 еВ. В результаті γ-опромінення дозами порядку 1018 см–2 концентрація електронів
зростає до 4*1017 cм–3 і на температурній залежності проявляється глибокий рівень ЕС − 0,16 еВ радіаційних дефектів (крива 2′ рис. 2).
Cлід вiдзначити, що автори також спостерiгали введення донорiв з ЕС − 0,16 еВ, але при нейтронному опромiненнi p-CdSb. Тому можна зробити висновок, що за донори з енергетичними рiвнями ЕС − 0,16 еВ, якi вводяться незалежно вiд виду опромiнення і типу легуючих домiшок, вiдповiдальнi власнi дефекти ґратки.
Такими дефектами можуть бути мiжвузловi атоми кадмiю (Cdi), вакансiї сурми (VSb), або комплекси з неконтрольованих домішок і вакансій. Атоми Cd дуже рухливi і при невеликому збiльшеннi температури (до 100 °С), що спостерігається при опромiненнi (особливо нейтронному), виходять на поверхню й iншi стоки, утворюють скупчення або рекомбiнують з VCd.
Рисунок 7.2 - Температурна залежність концентрації носіїв заряду в неопроміненому (1−3) та опроміненому
γ-квантами
60Co (2′−3′) CdSb: 1 – спеціально нелегований p-CdSb; 2, 2′ – CdSb
60Co (Ф = 1018 см-2); 3, 3′ – CdSb
Практично не змінюється концентрація після γ-опромінення при кімнатній температурі в CdSb
зони провідності, що спричиняється, згідно із, утворенням радіаційних дефектів з глибокими рівнями в забороненій зоні кристала. З аналізу температурних залежностей концентрації носіїв заряду n = f(103/T) в опромінених кристалах CdSb
У ділянці T = 140 K вiдбувається змiна знака сталої Холла в γ-промінених спеціально нелегованих зразках (крива 1′ рис. 1). Слiд вiдзначити, що iнверсiю сталої Холла (в близькiй до нашої ділянки) спостерiгали й iншi автори [3], але в неопромiненому CdSb n-типу провiдностi. Iнверсiю зафіксовано лише в тих зразках, поверхня яких при обробцi дотикалася до води. Це явище поясню-валось впливом на електричнi властивостi кристала приповерхневих областей, якi при обробці адсорбують O2 і H2O. У випадку γ-опромiнених кристалiв iнверсiя типу провiдностi спостерігалась незалежно вiд виду обробки поверхнi зразка, в тому числi і при сколюваннi та шлiфуваннi алмазною пастою без контакту з водою. Очевидно, механiзм iнверсiї знака провiдностi в γ-опромiнених кристалах має не поверхневу, а об’ємну природу. Це можна пояснити, якщо врахувати, що у випадку невиродженого напiвпровiдника в слабких магнiтних полях (умови, якi виконувались у наших експериментах) постiйна Холла визначається згiдно із:
(7.1)де r залежить вiд механiзму розсiювання i за порядком величини (як вважають автори роботи [5] дорівнює 1; n і p – концентрацiї електронiв і дiрок вiдповiдно; b = μn/μp (μn і μp – рухливості електронiв і дiрок).
Як вiдомо, уздовж напрямку [010], що вiдповiдало умовам наших експериментiв, μp < μn [2] і b2 у формулi (1) набуває значення b2 > 1. Тут RH змiнює знак, коли:
(7.2)хоча при цьому концентрацiя дiрок може бути бiльшою, ніж концентрацiя електронiв.
Провiднiсть опромiнених γ-квантами монокристалiв p-CdSb, наближена до власної з невеликою рiзницею мiж концентрацiями дiрок та електронiв. Достатньо незначно зменшити концентрацiю дiрок при зниженнi температури (наприклад, внаслiдок виходу їх на акцептори, якi зв’язанi з неконтрольованими домiшками тощо), щоб змогла виконуватись умова (2), при якiй вiдбувається конверсiя знака RH, що, очевидно, спостерiгалося в проведених експериментах. Можливо, також, що зi зниженням температури, внаслiдок рiзної температурної залежностi рухливостей електронiв i дiрок, може зростати значення b у рiвняннi (1), тобто виконання при певних температурах умови (2).
На рис. 3 наведено температурнi залежностi холлiвської рухливостi носiїв заряду в неопромiнених й опромiнених монокристалах CdSb.
Рисунок 7.3 - Температурна залежність холлівської рухливості носіїв заряду в неопроміненому (1−3) та опроміненому γ-квантами 60Co (2′−3′) CdSb: 1 – спеціально нелегований p-CdSb; 2, 2′ – CdSb
Отже, аналізуючи сказане вище, можна зробити висновок, що радіаційні центри, введенні в кристал при його опроміненні, і при кімнатній, і при азотній температурах, частково «нейтралізують» заряд іонів домішки, що локалізовані у вузлах ґратки. При чому для температур рідкого азоту цей процес відбувається більш інтенсивно, ніж для кімнатних.
Слід також зауважити, що спостережуване збільшення рухливості носіїв заряду виникає не за рахунок підвищення досконалості кристалів при їх радіаційній обробці, а саме через зниження ефективності розсіяння носіїв заряду на домішкових іонних залишках при частковій нейтралізації їх заряду протилежним за знаком зарядом радіаційних дефектів.
Тема №8
Термічне окислення кремнію в парах води.
Окиснення – процес створення оксидної плівки на поверхні виробу в результаті окисно-відновної реакції. Окиснення використовують для отримання захисних та декоративних покриттів, а також для формування діелектричних шарів структур інтегральних схем різних типів. Розрізняють термічні, хімічні, електрохімічні та плазмові методи окиснення.
Термічне окиснення здійснюють при нагріванні виробів в атмосфері, яка містить О2 або водяний пар; при хімічному окисненні вироби обробляють розчинами або розплавами окисників (нітратів, хроматів та інших); електрохімічне окиснення (анодування) проводять в рідких, рідше в твердих електролітах; плазмове окиснення відбувається у кисневмісній низькотемпературній плазмі, що утворена за допомогою розрядів постійного струму, ВЧ і СВЧ розрядів. В технології виготовлення інтегральних схем одна з найважливіших операцій – термічне окиснення.
Термічне окиснення кремнію – високотемпературний процес створення високоякісного шару оксиду силіцію (ІУ) (діоксиду силіцію, SiO2) на поверхні кремнієвої пластини. Діоксид силіцію – це безбарвна речовина з кристалічними ґратками, яка має високу твердість і міцність, не розчиняються у воді, є хорошим ізолятором, стабільна при тисках до 10-7 (Па), має температуру плавлення 1713-1728 °C, є бар'єром для дифузії бору, фосфору, миш'яку і це «рідний» для кремнію матеріал, який легко створити на кремнії. Діоксид кремнію має також аморфну модифікацію – кварцове скло.
Завдяки своїм унікальним електрофізичним властивостям діоксид кремнію знаходить широке застосування на різних стадіях виготовлення ІС. Плівки SiO2 виконують ряд важливих функцій, а саме:
· захист від зовнішніх впливів – пасивування поверхні,
· ізоляцію окремих елементів ІС один від одного,
· ізоляцію в схемах з багатошарової металізацією,
· функцію маски, через вікна якої в процесі літографії вводяться домішки,
· функцію тонкого діелектрика конденсаторів, підзатворного шару в МОН-структурах,
· та інші.
У мікроелектроніці найбільш часто використовуються оксиди кремнію товщиною в кілька десятих часток мікрона, а верхня межа по товщині для звичайного термічного окислення становить 1…2 (мкм). Технології НВІС використовуються також як більш тонкі, так і більш товсті плівки SiO2. Відповідно в технології ІС розрізняють «товсті» і «тонкі» оксиди SiO2. Товсті оксиди
виконують функції захисту і маскування, а тонкі – функції підзатворного діелектрика в МОН-транзисторах. Одними з приладів, в яких використовуються надтонкі шари двоокису кремнію є енергонезалежні елементи пам'яті МНОН-транзистори. МНОН-структури мають двошаровий діелектрик під затвором: нижній виконують з оксиду кремнію SiO2, товщиною не більшою за 3 (нм), верхній шар – із нітриду кремнію Si3N4 товщиною у кілька десятків нанометрів.Діоксид кремнію отримують в процесі хімічної окисно-відновної реакції між киснем і кремнієм:
Такий процес називається вологим окисненням.
Процес окиснення може здійснюватися в парах води, тоді відбувається окисно-відновна реакція і процес називають вологим окисненням:
Здійснюється термічне окиснення в окиснювальній печі, яка подібна за конструкцією до кварцової труби для проведення процесів епітаксії. Схематично вид установки для проведення сухого і волого окиснення зображений на рисунку нижче:
Рисунок 8.1 - Схема устаткування для проведення процесу термічного окиснення кремнію.
Окиснення кремнію проводять в однозонних дифузійних печах із спеціальними газорозподільними пристроями при температурах 900-1200°С. Наростання оксиду відбувається на межі розділу оксид-кремній, отже, окисник (кисень або молекули води) дифундує крізь зростаючу оксидну плівку до її межі, де вступає в реакцію з кремнієм. Відкривання певних кранів газорозподільної системи забезпечує різні види окисного середовища у робочій камері: сухий кисень, водяну пару, комбіноване середовище.
В процесі сухого окиснення через кварцову трубу пропускають сухий і очищений від домішок кисень. Сухе окиснення відбувається за високої температури 1000-1200°С. Термічне окиснення кремнію в сухому кисні характеризується найбільшою тривалістю (наприклад, для вирощування плівки SiO товщиною
у сухому кисні при 1000
необхідно близько 5 годин) і високою якістю плівки зі щільністю 2,27 г/см3. Тонкі підзатворні оксиди, від якості яких залежить стабільність параметрів МОН-структур, отримують сухим окисненням.В процесі вологого окиснення кисень спочатку пропускають через водяну баню, де він насичується гарячими водяними парами, і потім подають його в робочу камеру. В якості окисника служить суміш кисню і парів води, причому співвідношення цих компонентів можна змінювати в широких межах: від 100%-ного вмісту кисню, до 100%-ного вмісту парів води. Процес окиснення кремнію в атмосфері водяної пари (гідротермальне окиснення) відбувається у десятки разів швидше за сухе окиснення і характеризується великими швидкостями росту та можливістю отримання товстих 2…3 (мкм) плівок SiO2. Швидкість процесу окиснення кремнію залежить від вмісту вологи в потоці кисню, який, у свою чергу, керується температурою водяної бані і швидкістю потоку кисню. Наприклад, для вирощування плівки SiO2 товщиною
у 100% вологому кисні при 1000 необхідно 20 хвилин. Якщо необхідно мати низькі швидкості процесу окиснення, то замість кисню можна пропускати через кварцову трубу потік аргону. Основним недоліком процесу окиснення в атмосфері водяної пари є низька якість отримуваних плівок і, як наслідок, погіршення їх захисних властивостей. Такі плівки використовують для створення окисної ізоляції. Низька щільність плівок (близько 2 г/см3) пов'язана з їх пористістю через наявність водню і гідроксильних груп ОН. Тому товсті термічні оксиди зазвичай створюють при комбінованих режимах окиснення, чергуючи етапи вирощування плівок у сухому і вологому кисні: перше забезпечує відсутність дефектів, а друге дає змогу скоротити час процесу. Найбільш часто окиснення проводять у три стадії: спочатку у сухому кисні, потім у зволоженому – для прискорення процесу та нарощування досить товстої плівки і наостанку знову – у сухому.
Значним досягненням у вдосконаленні технології термічного окиснення кремнію стало додавання в окиснювальне середовище в процесі окиснення хлорвмісних компонентів (наприклад, кілька відсотків соляної кислоти). Це, так зване, хлорне окиснення. Термічне окиснення в присутності хлору веде до стабілізації порогової напруги польових МДП транзисторів, збільшення напруги пробою діелектриків та підвищення швидкості окиснення кремнію. Головна роль хлору (зазвичай з концентрацією 1016 – 1020 см-3) у плівках двоокису кремнію полягає в перетворенні домішкових йонів натрію або калію, які випадково потрапили у плівку, на електрично неактивні. Отже, хлор видаляє йони металу, що можуть бути присутніми в оксиді.
Одним з різновидів термічного окиснення є пірогенне окиснення, яке відбувається при взаємодії молекул води, синтезованих з атомарно чистих кисню і водню безпосередньо біля поверхні кремнію, з атомами кремнію.
Для отримання високооднорідних плівок SiO2 з відтворюваними властивостями використовують реактори зниженого тиску (РЗТ реактори). Окиснення, що проводиться в РЗТ, дає змогу синтезувати тонкі шари SiO2 з точністю до декількох ангстрем. Температура окиснення T = 900…1000°С, тиск P = 30 - 300 (Па).
Термічне окиснення відбувається за високої температури, що призводить до дифузійного розмиву структури приладу, який формується (тобто зміні геометрії і параметрів попередніх дифузійних шарів).
Основним процесом пасивації поверхні кремнієвих пластин служить термічне окиснення. Термічне окиснення відбувається за високої температури, що призводить до дифузійного розмиву структури приладу, який формується (зміні геометрії і параметрів попередніх дифузійних шарів). У міру переходу до виготовлення надвеликих і надшвидкодіючих інтегральних схем виникла необхідність у зниженні температури окисних обробок до 700…900°С, при яких відсутня неконтрольована термодифузія домішок та інші побічні ефекти, стимульовані високою температурою. Технологія окиснення опанувала ряд нових процесів, які дають змогу знизити температуру. Це, в першу чергу, піролітичне осадження (термічне розкладання) та плазмохімічне окиснення.
Формування плівок при піролітичному осадженні відбувається в результаті хімічних реакцій розкладання складних сполук біля нагрітої поверхні підкладки при нормальному або зниженому тиску. Піролітичне осадження забезпечує продуктивність, високу рівномірність шарів, якісне покриття уступів металізації і дає змогу створювати ізолюючі шари не тільки на поверхні кремнію, а й германію, арсеніду галію, а також інших матеріалів. Крім оксиду кремнію осаджують шари , нітриду кремнію та інші.
Процеси піролітичного осадження здійснюють на установках епітаксіального нарощування або в дифузійних однозонний печах, які забезпечені спеціальними пристроями газорозподілу. На нагрітому утримувачі горизонтально розміщуються пластини. Зверху надходить газ, в атмосфері якого протікають хімічні реакції на поверхні пластини. Для забезпечення однорідності товщини плівки газ рівномірно підводиться до поверхні пластин. Температура по всій поверхні пластин під час окиснення підтримується однаковою.
1 2 3 4