6. Domieszkowanie półprzewodników
2
Procesy termiczne
Procesy termiczne
Inżynieria wytwarzania
Inżynieria wytwarzania
Dr inż. Andrzej Kubiak
Dr inż. Andrzej Kubiak
Chemiczne i fizyczne procesy są w większości uaktywniane w wysokiej
temperaturze lub wymagają wysokich temperatur, aby zachodzić
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
1. Definicje mikro- i nanotechnologii
z rozsądną prędkością.
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i
2. Zagadnienia utrzymania czystości w procesach mikro- i
nanotechnologii
nanotechnologii
W technologii krzemowej wygrzewanie w podwyższonej temperaturze jest
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie, obróbka
3. Materiały półprzewodnikowe  własności, wytwarzanie, obróbka
wykorzystywane m.in. w procesach:
mechaniczna
mechaniczna
" epitaksji krzemu
4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
4. Trawienie materiałów półprzewodnikowych
" domieszkowania metodą dyfuzji domieszek
5. Technologia procesów fotolitografii
5. Technologia procesów fotolitografii
" domieszkowania metodą implantacji jonowej (podczas wygrzewania
6. Domieszkowanie półprzewodników
6. Domieszkowanie półprzewodników
poimplantcyjnego)
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.
7. Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu. " utleniania termicznego
" nakładania warstw metodami osadzania chemicznego (CVD)
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
8. Osadzanie próżniowe cienkich warstw.
" wtapiania glinu w celu wykonania kontaktów omowych
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
10. Montaż i hermetyzacja struktur
10. Montaż i hermetyzacja struktur
11. Struktury mechatroniczne
11. Struktury mechatroniczne
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
3 4
Procesy termiczne Domieszkowanie krzemu
Procesy termiczne Domieszkowanie krzemu
TYP PROCESU
Domieszkowanie podłoży krzemowych umożliwia:
Epitaksja Si
" zmianę typu przewodnictwa ( n / p )
Dyfuzja
" zmianę koncentracji atomów domieszek
Utlenianie termiczne
Wygrzewanie poimplantacyjne
Osadzanie azotku  LPCVD
C E
B
Osadzanie polikrzemu - LPCVD
Osadzanie polikrzemu - PECVD
Osadzanie tlenku - LPCVD
Wtapianie metalizacji Al
Osadzanie tlenku - APCVD
Osadzanie tlenku - PECVD
Osadzanie azotku - PECVD
0 250 500 750 1000 1250 T [oC]
Przykładowa struktura i profil domieszkowania tranzystora bipolarnego p-n-p
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
5 6
Domieszki i sposoby domieszkowania Koncentracja domieszki w funkcji rezystywności
Domieszki i sposoby domieszkowania Koncentracja domieszki w funkcji rezystywności
Domieszki akceptorowe Domieszki donorowe
(III - typ p): (V - typ n):
" bor " fosfor
" aluminium " arsen
" gal " antymon
Si+B
B
epitaksja
dyfuzja termiczna implantacja jonowa
1
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
7 8
Termiczna dyfuzja domieszek Termiczna dyfuzja domieszek
Termiczna dyfuzja domieszek Termiczna dyfuzja domieszek
Dyfuzja - przepływ energii lub materii z obszaru o wyższej koncentracji do
obszaru o niższej koncentracji, zachodzący w gazie, w cieczy, lub w ciele
stałym (np. materiale półprzewodnikowym).
We wszystkich przypadkach, szybkość procesu dyfuzji jest uzależniona od
pola powierzchni przekroju, gradientu koncentracji cząstek i temperatury.
W procesie dyfuzji domieszek do półprzewodnika maksymalna
koncentracja domieszki zawsze znajduje się na górnej powierzchni
podłoża.
Dyfuzja selektywna może być realizowana za pomocą maski wykonanej z
tlenku krzemu (SiO2)
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
9 10
Prawa Fick a Dyfuzja termiczna - warunki brzegowe
Prawa Fick a Dyfuzja termiczna - warunki brzegowe
Pierwsze prawo Fick a jest stosowane w opisie procesów dyfuzji, kiedy stężenie
N
strumienia dyfuzji objętościowej nie zmienia się w czasie. W przestrzeni - z
ródło nieskończone (predyfuzja) NS=const.
jednowymiarowej strumień dyfuzji wynosi:  domieszka dostarczana jest do
t1
t2 t3
powierzchni podłoża bez przerwy,
� N
bez żadnych ograniczeń  w
J = - D
� x konsekwencji koncentracja atomów
J jest strumieniem cząstek domieszki donorowej lub akceptorowej (atomy/cm2s) na powierzchni jest w trakcie
D jest współczynnikiem dyfuzji (cm2/s)
procesu stała
N jest koncentracją domieszki (atomy/cm2) x
Funkcja błędu (erfc)
x jest odległością od z
ródła dyfundującej substancji (cm)
- z
ródło skończone (redyfuzja) 
t1
N
całkowita liczba atomów domieszki
Drugie prawo Ficka jest stosowane, gdy strumień dyfuzji zmienia się lokalnie w t2
(doza) w płytce i na jej powierzchni
czasie (t):
t3
jest stała w ciągu całego procesu, a
2
atomów na powierzchni podłoża
�N � �N � N
�ł �ł
= - �ł - D = D ubywa w wyniku dyfuzji atomów w
�ł
2
�t �x �x � x głąb płytki.
�ł łł
Rozkład Gaussa x
Rozwiązanie tego równania wymaga określenia warunków brzegowych
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
11 12
Dyfuzja termiczna  podstawowe mechanizmy Współczynnik dyfuzji
Dyfuzja termiczna  podstawowe mechanizmy Współczynnik dyfuzji
Współczynnik dyfuzji D bezpośrednio określa
zdolność danego pierwiastka do dyfuzji w
Dyfuzja podstawieniowa - atomy
Dyfuzja międzywęzłowa - atomy
półprzewodniku. Atomy domieszek dla zmiany
domieszek zamieniają się miejscami
domieszek przeskakują pomiędzy
swego położenia w sieci krystalograficznej
z tzw. wakansami, czyli pustymi
wolnymi pozycjami
wymagają dostarczenia energii Ea.
miejscami w strukturze sieci (atomy
międzywęzłowymi (metale i gazy:
Prawdopodobieństwo zgromadzenia w atomie
III i V grupy: fosfor, arsen, antymon,
sód, potas, argon, wodór, hel)
aluminium, bor, gal) domieszki energii większej od E-a, zgodnie z regułą
Boltzmann a, jest proporcjonalne do wyrażenia
exp(-Ea / kT), co ilościowo można zapisać jako
zależność:
D = D0 exp(- Ea / kT )
D0 jest wartością maksymalną współczynnika dyfuzji
(ekstrapolowaną dla nieskończonej temperatury)
Ea jest energią aktywacji domieszki
k jest stałą Boltzmann a
T jest temperaturą wyrażoną w Kelvinach.
2
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
13 14
Dyfuzja termiczna Rodzaje z
ródeł domieszki
Dyfuzja termiczna Rodzaje z
ródeł domieszki
Dla z
ródła w postaci ciała stałego:
- prowadzona w piecach dyfuzyjnych, w których rektorem jest rura
Metoda I
kwarcowa
- dwie niezależne strefy stałej, kontrolowanej temperatury
- jednocześnie do reaktora wprowadzane jest 50-200 podłoży
- materiał domieszki podgrzewany jest w platynowym tyglu do temperatury
- konieczna jest zapewnienie precyzyjnej kontroli, stabilizacji i
zapewniającej jego parowanie
jednorodności rozkładu temperatury
- domieszka przenoszona przez gaz nośny osadza się na ściankach reaktora
- tego typu piece używane są również do prowadzenia procesów
oraz na podłożach, gdzie zapewnia zachodzenie dyfuzji
utleniania termicznego (różnią się składem atmosfery)
Metoda II
- obecność szkliwa podczas wielu procesów dyfuzji powoduje
- zasstosowanie płytek ceramicznych (np. BN), umieszczanych na przemian z
 przyklejanie się kaset z podłożami krzemowymi  stąd wprowadzenie
podłożami krzemowymi
wolnych ruchów oscylacyjnych kasety podczas procesu dyfuzji lub
Metoda III
system podwieszany (kaseta zawieszona w powietrzu, nie dotyka do
- nałożenie na podłożu krzemowym cienkiej warstwy zawierającej z
ródło domieszki
ścianek reaktora kwarcowego)
za pomocą procesu osadzania chemicznego z fazy lotnej (CVD)
- wyposażenie do dozowania domieszki zależy od stanu skupienia z
ródła
(ciało stała, ciecz, gaz)
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
15 16
Rodzaje z
ródeł domieszki Piec dyfuzyjny
Rodzaje z
ródeł domieszki Piec dyfuzyjny
" typowy zakres temperatur: 850 �
Dla z
ródła w postaci cieczy:
1300�C
Metoda I:
" czas trwania procesu: do
- nasycenie gazu nośnego przepływającego przez reaktor za pomocą saturatora
kilkudziesięciu godzin
- konieczna jest stabilizacja temperatury saturatora
" duża ilość płytek w jednym procesie
Metoda II
" kilka niezależnych sekcji do
- płynne z
ródło domieszki (ciecz zawierająca zawiesinę substancji
prowadzenia dyfuzji z użyciem
domieszkującej) jest rozwirowywana na podłożu krzemowym za pomocą wirówki
różnych z
ródeł
- wielkość dozy domieszki jest uzależniona od grubości nałożonej warstwy (czyli
od szybkości rozwirowywania)
Elementy pieca dyfuzyjnego:
1- grzałka oporowa lub indukcyjna
Dla z
ródła w postaci gazowej:
2 - płytki krzemowe
- połączenie gazu zawierającego domieszkę z gazem nośnym
3 - wyciąg
- precyzyjna kontrola przepływu za pomocą przepływomierza masowego (pomiar
4 - dozownik gazów domieszkujących
masy przepływającego gazu, a nie objętości, jak w przypadku rotametru)
5 - rura kwarcowa
- z
ródła gazowe są często silnuie trujące i wybuchowe, wymagają więc
6 - kaseta kwarcowa
specjalnych instalacji zapewniających bezpieczeństwo procesu
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
17 18
y
ródła domieszki y
ródła domieszki
y
ródła domieszki y
ródła domieszki
Bor (B) Fosfor (P)
- podstawowa domieszka akceptorowa (gal i glin nie mogą być maskowane - wysoki współczynnik dyfuzji w krzemie
tlenkiem krzemu)
- wysoka graniczna rozpuszczalność
- wysoki współczynnik dyfuzji w krzemie
- małe niedopasowanie rozmiarów atomów fosforu i krzemu umożliwia
- wysoka graniczna rozpuszczalność osiąganie wysokich koncentracji (rzędu 1021 cm-3)
- duże niedopasowanie rozmiarów atomów boru i krzemu prowadzi do - do niedawna podstawowa domieszka donorowa, obecnie wypierana przez
powstawania defektów sieci krystalograficznej arsen
y
ródło stałe: ceramiczne płytki BN utlenianie do B2O3 (trójtlenek boru) y
ródło stałe: nie wykorzystuje się ze względu na higroskopijność płyt
ceramicznych P2O5 (brak pełnej kontroli procesu, niepowtarzalne wyniki)
B2O3 + 3Si => 4B + 3SiO2
y
ródła ciekłe: POCl3 (tlenochlorek fosforu), PBr3 (trójbromek fosforu) utleniane
y
ródła ciekłe: 2(CH3O)3B oraz BBr3 poddawane utlenianiu w podwyższonej
do pięciotlenku fosforu
temperaturze do trójtlenku boru
y
ródła gazowe: PH3 (fosforowodór  b. toksyczny, wybuchowy), często w formie
y
ródła gazowe: B2H6 (boroetan  b. trujący, wybuchowy), BCl3 (trójchlorek boru)
mocno rozcieńczonej w argonie lub azocie, również utleniany do postaci P2O5
poddawane utlenianiu w podwyższonej temperaturze do trójtlenku boru
3
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
19 20
y
ródła domieszki y
ródła domieszki
y
ródła domieszki y
ródła domieszki
Arsen (As) Antymon (Sb)
- niski współczynnik dyfuzji w krzemie (10x niższy niż B i P) - niski współczynnik dyfuzji w krzemie
- małe niedopasowanie rozmiarów atomów arsenu i krzemu umożliwia - małe niedopasowanie rozmiarów atomów antymonu i krzemu umożliwia
osiąganie wysokich koncentracji (rzędu 2*1021 cm-3) osiąganie wysokich koncentracji (rzędu 5*1019 cm-3)
- powszechnie stosowany do wytwarzania płytkich złącz oraz obszarów - niska prężność par powoduje minimalną ucieczkę atomów antymonu i
domieszkowanych na początku procesu wytwarzania struktury (mała pozwala na łatwe osiąganie wysokiej koncentracji domieszki przy powierzchni
redyfuzja)
y
ródło stałe: As2O3 (trójtlenek arsenu, arszenik) odparowywane w temp. 150 
y
ródło stałe: Sb2O3 (trójtlenek antymonu), Sb2O4 (czterotlenek antymonu)
300oC (w piecu dwustrefowym)
odparowywane w temp. 600-900oC (w piecu dwustrefowym)
As2O3 + 3Si => 3SiO2 + 4As
Sb2O4 => 900oC => Sb2O3
Sb2O3 + 3Si => 3SiO2 + 4Sb
y
ródła ciekłe: w postaci emulsji zawierającej As rozwirowywanej na powierzchni
podłoża krzemowego
y
ródła ciekłe: Sb3Cl5 (pięciochlorek antymonu) poddawany rozkładowi i
y
ródła gazowe: AsH3 (arsenowodór  b. toksyczny, wybuchowy), stosowany w
utlenianiu do trójtlenku antymonu
formie mocno rozcieńczonej w argonie lub azocie, podlegający rozpadowi w
podwyższonej temperaturze oraz AsF3 (trójfluorek arsenu) poddawany
y
ródła gazowe: nie stosuje się
utlenianiu do As2O3 (szkliwo osadzające się na powierzchni krzemu)
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
21 22
Implantacja jonowa Implantacja jonowa
Implantacja jonowa Implantacja jonowa
- implantacja polega na przyspieszaniu jonów domieszek i  wbijaniu ich w
domieszkowane podłoże
- rozkład domieszek ma postać krzywej dzwonowej z maksimum na pewnej
głębokości
- inne profile (np. płaski, liniowy) domieszkowania możliwe do uzyskania za
pomocą implantacji wielokrotnej (dla różnych parametrów poszczególnych
procesów)  rozwiązanie to znacznie podnosi koszt
- zdefektowanie (w skrajnym przypadku amorfizacja) struktury monokryształu w
trakcie implantacji
- efekt kanałowania  zależność zasięgu implantacji od kierunku ruchu w sieci
krystalicznej
- zasięg implantacji jest uzależniony m.in. od rodzaju domieszki (masa i rozmiar
jonu), energii wiązki, gęstości sieci monokryształu, kąta padania wiązki
- implantacja selektywna może być realizowana za pomocą maski wykonanej z
tlenku krzemu (SiO2) lub emulsji światłoczułej (fotorezystu)
- konieczność prowadzenia procesu wygrzewania poimplantacyjnego w celu
aktywacji elektrycznej domieszek oraz usunięcia defektów sieci krystalograficznej
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
23 24
Implantator jonowy Implantator jonowy
Implantator jonowy Implantator jonowy
Elementy składowe:
- system pompowy zapewniający odpowiednio wysoką próżnię
- gazowe z
ródło domieszki
- z
ródło jonów  miejsce w którym gazowe z
ródło domieszki podlega jonizacji w
procesie jonizacji zderzeniowej realizowanej za pomocą wyładowania
elektrycznego
- analizator masowy oddziela jony użytecznej domieszki od wszelkich pozostałych
jonów, będących zanieczyszczeniem poprzez przyspieszenie ich i odchylenie w
polu magnetycznym
- układ ogniskujący wiązkę  zapewnia skupienie i odpowiednie przyspieszenie
lub wyhamowanie jonów do zadanej energii
- układ odchylania wiązki  umożliwia skanowanie powierzchni podłoża
przygotowaną wiązką jonów
- stanowisko implantacji zawierające puszkę Farady a (pomiar dozy domieszki)
oraz układ mocowania i ładowania podłoży bez konieczności zapowietrzania
komory implantatora
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991 R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991
4
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
25 26
Implantator jonowy Implantacja jonowa
Implantator jonowy Implantacja jonowa
Zalety:
Typowe parametry implantatora (Varion Associates):
" niska temperatura procesu
" implantacja jonów gazów i metali (np. Al, Mg, Ni, Fe, Co, Ti, Y, P)
" precyzyjne dozowanie ilości i
" energia jonów: 5-200 keV
położenia domieszki
" natężenie prądu jonowego: ok. 100 �A
" uzyskiwanie nietypowych profili
" próżnia: 10-7 Torr
domieszkowania (możliwość
" temperatura podłoża: od -196 do 400oC
wielokrotnej implantacji)
Wady:
" wysoki koszt
" silne uszkodzenia sieci
krystalograficznej podłoża
" konieczność wygrzewania
poimplantacyjnego w piecu
dyfuzyjnym (ryzyko redystrybucji
domieszek) lub piecu do szybkich
procesów termicznych (RTP)
6. Domieszkowanie półprzewodników 6. Domieszkowanie półprzewodników
27 28
Szybkie procesy termiczne Szybkie procesy termiczne
Szybkie procesy termiczne Szybkie procesy termiczne
Metoda RTP (Rapid Thermal Processing)
polega na bardzo szybkim rozgrzewaniu
płytek podłożowych za pomocą
Metoda RTP jest obecnie chętnie stosowana ze względu na:
intensywnego strumienia świetlnego.
" możliwość przeprowadzenia skutecznej relaksacji defektów przy
Obecnie jest szeroko stosowana po
wygrzewaniu w czasie kilkunastu sekund i temperaturze ok. 1000oC
procesie implantacji jonowej w celu
" możliwość prowadzenia wygrzewania w obniżonym ciśnieniu
aktywacji elektrycznej domieszek oraz
" rosnące wymagania dotyczące czystości i składu gazów
odprężania monokryształu w celu
" gorszą opłacalność budowy i eksploatacji pieców dla płytek o bardzo
relaksacji defektów
dużych średnicach (>200mm)
" ograniczenia czasowe procesów wygrzewania dla układów wielkiej skali
Parametry:
integracji
" temperatura do 1250�C
" czas trwania: do 5min.
Urządzenia do szybkich procesów termicznych są również wykorzystywane w
" wsad: 1 płytka (o dużej średnicy) procesach wytwarzania cienkich warstw tlenku krzemu metodą utleniania
termicznego
" zimne ściany komory
" łatwiejsze utrzymanie czystości
5
R. Beck Technologia krzemowa, PWN 1991
http://www.saia-pcd.com/SiteCollectionImages/50_Machine%20Control%20-%20OEM/A21.jpg