Электронные и микроэлектронные приборы

Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

Реферат
       Электронные и микроэлектронные приборы

  Студента 2 курса заочного отделения  ФАРЭ

Задание.

1.     Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде.

2.     Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать их сравнительную характеристику.

3.     Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип действия и область применения.  Опешите принцип действия и устройство тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов.
1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO2 используется как:

   1. маска для диффузии легирующих примесей

   2. для пассивации поверхности полупроводников

   3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга

   4. в качестве подзатворного диэлектрика

   5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОП элементов памяти

   6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией

   7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO2 является "родным" материалом для кремния, легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легко воспроизводится и контролируется.

Термическое окисление кремния

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично

вид установки показан на рис. 1.

Ðèñ. 1.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

     окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O2 = SiO2

     окисление в парах воды: Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2.

Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокиси кремния.

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO2 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физика термического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простой модели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2.

Ðèñ. 2.

Ïðîöåññ îêèñëåíèÿ ïðîèñõîäèò íà ãðàíèöå Si - SiO2, ïîýòîìó ìîëåêóëû îêèñëèòåëÿ äèôôóíäèðóþò ÷åðåç âñå ïðåäâàðèòåëüíî ñôîðìèðîâàííûå

ñëîè îêèñëà è ëèøü çàòåì âñòóïàþò â ðåàêöèþ ñ êðåìíèåì íà åãî ãðàíèöå. Ñîãëàñíî çàêîíó Ãåíðè, ðàâíîâåñíàÿ êîíöåíòðàöèÿ òâåðäîé ôàçû

ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ïàðöèàëüíîìó äàâëåíèþ ãàçà P:

C*=HP, ãäå

     C*- ìàêñèìàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ â ãàçå äëÿ äàííîãî çíà÷åíèÿ äàâëåíèÿ P,

     H - ïîñòîÿííûé êîýôôèöèåíò Ãåíðè.

 íåðàâíîâåñíîì ñëó÷àå êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà ìåíüøå, ÷åì C*.

Ïîòîê F1 îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ìåæäó ìàêñèìàëüíîé è ðåàëüíîé ïîâåðõíîñòíîé êîíöåíòðàöèé îêèñëèòåëÿ:

F1=h(C*-C0), ãäå

     C0 - ïîâåðõíîñòíàÿ êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ,

     h - êîýôôèöèåíò ïåðåíîñà.

Çíà÷åíèå êîíöåíòðàöèè îêèñëèòåëÿ C0 çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ñêîðîñòè ãàçîâîãî ïîòîêà è ðàñòâîðèìîñòè îêèñëèòåëÿ â SiO2.

Äëÿ òîãî ÷òîáû îïðåäåëèòü ñêîðîñòü ðîñòà îêèñëà, ðàññìîòðèì ïîòîêè îêèñëèòåëÿ â îáúåìå îêèñëà (F2) è íà åãî ãðàíèöå ñ êðåìíèåì (F3).

Ñîãëàñíî çàêîíó Ôèêà, ïîòîê ÷åðåç îáúåì îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ãðàäèåíòîì êîíöåíòðàöèè îêèñëèòåëÿ:

F2=-D(dC/dz)=D(C0-Ci)/z0, ( 1 )

     ãäå Ci - êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ â ìîëåêóëàõ íà êóáè÷åñêèé ñàíòèìåòð ïðè z = z0,

     D - êîýôôèöèåíò äèôôóçèè ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå,

     z0 - òîëùèíà îêèñëà.

Âåëè÷èíà ïîòîêà (F3) íà ãðàíèöå îêèñëà ñ ïîëóïðîâîäíèêîì çàâèñèò îò ïîñòîÿííîé K ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåàêöèè è îïðåäåëÿåòñÿ êàê:

F3=kCi ( 2 )

Ïðè ñòàöèîíàðíûõ óñëîâèÿõ ýòè ïîòîêè ðàâíû, òàê ÷òî F3 = F2 = F1 = F. Ñëåäîâàòåëüíî,  ïðèðàâíÿâ ñîîòíîøåíèÿ ( 1 ) è ( 2 ), ìîæíî âûðàçèòü

âåëè÷èíû Ci è C0 ÷åðåç C*:

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнение потока на границе SiO2 - Si в следующей форме:

(4)

Ñêîðîñòü ðîñòà îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ïîòîêîì (F3) è êîëè÷åñòâîì ìîëåêóë îêèñëèòåëÿ (Ni), íåîáõîäèìûì äëÿ îáðàçîâàíèÿ îêèñëà â åäèíè÷íîì îáúåìå. Ïîñêîëüêó êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë SiO2 â îêèñëå ðàâíà 2,2*1022 ñì-3, òî äëÿ ïîëó÷åíèÿ äâóîêèñè êðåìíèÿ òðåáóåòñÿ êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë êèñëîðîäà ðàâíàÿ 2,2*1022  ñì-3 èëè êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë âîäû 4,4*1022 ñì-3.

Ñîîòíîøåíèå ìåæäó âåëè÷èíàìè z0 è t îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðàëîì

Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ìàëûõ âðåìåí îêèñëåíèÿ òîëùèíà îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåàêöèè K è ïðÿìîïðîïîðöèîíàëüíà âðåìåíè îêèñëåíèÿ (8). Äëÿ áîëüøèõ âðåìåí îêèñëåíèÿ ñêîðîñòü ðîñòà çàâèñèò îò ïîñòîÿííîé äèôôóçèè D (9), à òîëùèíà îêèñëà ïðîïîðöèîíàëüíà êîðíþ êâàäðàòíîìó èç âðåìåíè ïðîöåññà. Îòìåòèì, ÷òî íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ òîëùèíà îêèñëà, ñîñòàâëÿþùàÿ äåñÿòûå äîëè ìèêðîíà, à âåðõíèé ïðåäåë ïî òîëùèíå äëÿ îáû÷íîãî òåðìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 1 - 2 ìêì. Çíà÷èòåëüíûì äîñòèæåíèåì ïîñëåäíåãî âðåìåíè ÿâèëîñü äîáàâëåíèå â îêèñëèòåëüíóþ ñðåäó â ïðîöåññå îêèñëåíèÿ õëîðñîäåðæàùèõ êîìïîíåíòîâ. Ýòî ïðèâåëî ê óëó÷øåíèþ ñòàáèëüíîñòè ïîðîãîâîãî íàïðÿæåíèÿ ïîëåâûõ ÌÄÏ - òðàíçèñòîðîâ, óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ ïðîáîÿ äèýëåêòðèêîâ è ïîâûøåíèþ ñêîðîñòè îêèñëåíèÿ êðåìíèÿ. Ãëàâíàÿ ðîëü õëîðà â ïëåíêàõ äâóîêèñè êðåìíèÿ (îáû÷íî ñ êîíöåíòðàöèåé õëîðà 1016 - 1020 ñì-3) çàêëþ÷àåòñÿ â ïðåâðàùåíèè ñëó÷àéíî ïðîíèêøèõ â SiO2 ïðèìåñíûõ èîíîâ, íàïðèìåð, íàòðèÿ èëè êàëèÿ â ýëåêòðè÷åñêè íåàêòèâíûå.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8