Litografia CA Metodă de Procesare a Nanomaterialelor

5/25/2018 Litografia CA Metod de Procesare a Nanomaterialelor

1/69

LITOGRAFIA CA METOD DE

PROCESARE A

NANOMATERIALELOR


2/69

Fotol i tograf iaCaracteristicile electrice i explotaionale a dispozitivelor microelectronice sunt nemijlocitlegate de dimensiunea elementelor i poziionarea reciproca lor pe suprafat. Fotolitografiaeste un procedeu de baz i pnce unical n localizarea cu precizie foarte nalt local a

prelucrarii micro i nano, utilizatpentru obinerea dimeniunilor necesare i a configuraiilorelementelor n sistemele integrale mari (SIM).Fotolitografia consta dintr-o combinaiede un ir de procese fizice, fotochimice i

chimice i se utilizeaz pentru formarea unei matiprotecie pe suprafaa unei placisemiconductore. Pentrui aceasta este utilizat un material sensibil la lumin fotorezist, careposed rezisten la mediile agresive (acizi, baze alcaline). Stratul subire de fotorezist estedepus pe un suport semiconductor i se efectuiazexpunerea printr-o masc fotomasc,

care are sectoare transparente i netransparente pentru trecerea luminii prin ele,determinnd topologia dispozitivului. Sub aciunea luminii in fotorezust au loc reacii fotochimice, care n dependen de fotorezistorul utilizat duce la consolidarea sau slabireasolvabilitaiiin soluiilechimice determinate. Dupdevelopare pe suprafaasuportului ramnestratul protector de fotorezist, ce repet configuraia pozitivsau negativa fotomtii. Etapaurmtoare este corodarea materialului suport a sectoarelor neprotectoare de fotorezist saudepunerea altor materiale pe aceste sectoare. De exemplu, pe SiO

2 n timpul

corodrii are

loc nlturarea stratului dielectric pe acele sectoare unde trebuie s fie formate structuri dedifuziune, iar utilizarea fotolitografiei asupra metalelor se formeazsectoarelor de contact ainterconectrilorelementelor pasive.

Pentru efectuarea fotolitografiei se utilizeaz instalaiimecanice, opto-mecanice ichimice, la care sunt impuse cerinte mai mari.


3/69

Etapele procesriifotolitografie


4/69

Litografia cu fascicol electronic

Se tie c fluxul de electroni are proprieti cuantice i ondulatorii. Deci a fluxului de

electroni este:,deprtarea dintre doi atomi n reeaua cristalin este n calitate de rezist sensibil la fluxul de lectrini se folosete substana organic

polimer PMMA=polimetilmetacrilat (plexiglas-sticl organic).

De ex. avem o plachet pe care avem o PMMA i avem i o masc pe care cade un

flux de electroni, care au o anumit energie (de ex. 15KeV).

Sistem cu scanare


5/69

Fie o sticl de cuar. Pe aceast sticl se depune consecutiv un strat de titan (Ti) care are ofoarte bun adeziune pe sticl i n plus nu emite electroni prin fotoemisie. Prin oxidareanodicpelicula de Ti se transform n TiO 2. Dupaceasta cu ajutorul litografiei cu fascicolelectronic de scanare se formeazdesenul viitoarei mti(dimensiunile sunt submicronice).Apoi pe suprafaa mtiise depune peste tot o pelicul de paladiu (Pd).

Aplicm un potenial i electroni sunt poziionai spre plachet iar unde cade fluxul

de electroni are loc i exponarea suprafeeipeliculei de PMMA. n acelaifel se obinerapid omasc. Deoarece sistemul este n vid alinierea nu se mai face ca pn acum. Nu se poatepune microscop pt. a vedea semnele de pe placue, ca urmare se va face aliniere n regimautomat. Sticla este ptrat i n fiecare col este o gaur pe unde trece lumina. Gurile fcute cu ajutorul laserului sunt i pe plachet. Alinierea va fi corect cnd lumina din sticltrece perfect prin gaura din plachet. Acest rol este ndeplinit de un fotoreceptor,


6/69

Litografia cu raze xRazele x caracteristice apar de ex. ntr-un atom de Cu:

Instalaia i principiul de lucru al litografiei cu raze x


7/69

Litografia cu fascicul de electroni

Procesarea cu fascicul de electroni a fost dezvoltata initial pentru gravarea fina aplachetelor de semiconductoare precum si realizarea de gauri fine si suprafete texturatepe diamant si alte pietre preioase. Electronul incident de inalta energie este capabil sa

penetreze suprafaa unui material supus prelucrarii prin reeaua structurii atomice,deoarece diametrul sau efectiv este mai mic decat distana interatomica de 0,2 0,4 nm.Electronii incideni penetreaza prin stratul superficial de la suprafapana la o adancimeRp, unde cei mai muli dintre ei sunt absorbii. Adancimea experimentala i teoretica depenetrare este:

Rp=2,2x10-12V2/

unde V reprezinta tensiunea de accelerare (in voli), iar , este densitatea materialuluipenetrat (g cm-3). De exemplu, adancimea de penetrare in oel pentru un electron avando energie de 50 keV este 7 nm, iar in aluminiu de 10 m.

Acest proces se bazeaza pe activarea materialelor electronic sensibile, cum ar fipolimerii. Atomii din astfel de materiale sunt activa i de electronii care trec pe lnganucleu. Cu alte cuvinte, electronii inciden i activeaza atomii sensibili la ac iuneaelectronilor, determinnd polimerizarea sau depolimerizarea de-a lungul traseuluistrabatut de electroni. Procesul a fost utilizat pentru a se realiza rezolu ii de naltadimensiune n domeniu subnanometric, ntruct nu apare nici un fel de difuzie termica,iar mprastierea este neglijabila. De aceea, un fascicul de electroni fin focalizat poateproduce o gravare cu o acurate e subnanometrica n procesarea atom cu atom bazatape activarea reactiva.


8/69


9/69

Procesarea cu fascicul ionic dirijatO metoda fundamentala de procesare a materialelor care utilizeaza ioni este prelucrareacu imprastiere ionica. Echipamentul de baza pentru prelucrarea cu imprastiere ionica.

Mecanismul prelucrarii prin pulverizare/imprastiere const n ionii de gaz inert, cum ar fi

ionii de Ar accelerai in camp electric pana la o energie medie de 10 keV (corespunzandunei viteze de 200 km s-1), sunt orientai unidirecional si proiectai asupra suprafeeimaterialului de prelucrat sub un vid inalt (1,310-4Pa).

Spre deosebire de procesarea cu fascicul electronic, cei mai muli dintre ionii proiectaiinteracioneaza cu atomii de la suprafaa materialului din cauza ca diametrul unui ion de Ar(0,1 nm) este comparabil cu distana medie interatomica aflai la suprafaa si care este de

0,3 nm. Drept consecina, ionii proiectai se ciocnesc frecvent cu nucleele atomilormaterialului supus prelucrarii si expulzeaza sau imprastie atomii de la suprafaa. Astfel,

procesarea este realizata in principal prin indepartarea materialului atom cu atom;aceast procedura este denumita gravare cu ioni difuza!i sau prelucrare cu ionimprastia!i.

Adancimea de patrundere a unui ion de Ar incident avand 10 keV este estimata la a fi

de caiva nanometri sau de circa 10 straturi atomice. Pe de alta parte, ionii cu energii maimari, de exemplu 100 keV, pot penetra mai departe prin reeaua atomica, devenind atomiinterstiiali sau substituionali in stratul superficial. Acest tip de proces de penetrare adancaeste utilizat pe scara larga pentru implantarea ionica, prin care impuritaile de dimensiuneatomica sunt injectate in procesul de prelucrare a plachetelor semiconductoare


10/69


11/69

Formarea cu fascicul de fotoni sau laserExista doua tipuri de procese n prelucrarea cu fascicul fotonic sau laser: termic si

chimic.

(a) Proc esul term ic

Procesul termic se manifesta ca topirea, vaporizarea sau transformarea structurilor de

material datorita energiei a fasciculului fotonic sau laser. n acest proces, densitatea deputere a fasciculului este un factor important.

Fig. de mai sus reprezinta Fenomene de prelucrare la diferite niveluri de densitate deputere a fasciculelor de

fotoni sau laser.


12/69

(b) Procesul chimic

Energia fotonului depinde de lungimea deunda. Polimerii sunt alcatuiti din atomi de

carbon, hidrogen etc. Energiile legaturilorC-C si H-H sunt 4,6 si respectiv 4,2 eV;rezulta de aici ca fotonii cu energia mai maredecat aceste niveluri pot rupe directlegaturile atomice de C si H. Un fascicullaser cu excimeri are capacitatea de a

actiona direct asupra legaturii moleculelor deacest fel. Cand un fascicul laser cu excimeride intensitate mare este absorbit intr-un stratsubtire al unui material, moleculele suntdezintegrate in atomii constituenti saumolecule cu masa moleculara mai mica.

Volumul se mareste si astfel constituenitiisunt ejectai, formandu-se o cavitate; acestproces este denumit ablatiune. Acest lucrueste relativ usor de indeplinit in polimeri si sepoate realiza, de asemenea, in metale, sticlesi ceramici prin utilizarea unei densitati de

putere mai mare.

Procesul de ablaiune datorita fasciculului de fotoni UVde inalta densitate de putere (fascicule laser cu

excimeri).

Durata impulsului unui laser cu excimeri

este de ordinul a 10 ns, astfel cadensitatea de putere este estimata la106W mm-2, pentru ablatiuneapolimerilor de catre fascicule laser cuKrF sau XeC. Aceasta este o densitatede putere de un ordin care se dovedeste

a fi prea mare pentru procesul termic


13/69

Condiii tehnologice n fabricaia semiconductorilor Principala cerin care trebuie asigurat n

toate operaiile proceselor de fabricaie adispozitivelor semiconductoare ia circuitelorintegrate este curenia. Un singur fir de prafde dimensiuni micronice care se depune pe oplachet poate face inutilizabil un cipconinnd cteva milioane de tranzistori. Deaceea, ntregul proces de fabricaie seefectueaz n spaii speciale denumite"camere albe" n care condiiile de mediu ide cureniesunt strict controlate.


14/69

Atmosfera are temperatur constant, umiditateaeste strict controlat, iar numrul de particule depraf trebuie s fie ct mai mic. Gradul de "puritate"(de curenie) a unei ncperi se definete prinnumrul de particule cu diametrul mai mare de 0,5m existente ntr-un volum de 1 ft3 (1 ft =1 picior =30 cm, rezult cl ft3 = 0,027m 3= 27 litri).

Denumirea de "camer alb" se atribuie uneincperi dac clasa ei de puritate este mai mic de1000. Atingerea acestei performane necesit unechipament complex i costisitor. Acestea sunt

construite din perei cu proprieti speciale iprevzute cu "duuri" de aer pentru accesulpersonalului, realizate dupprincipiul ecluzelor.


15/69

Aerul dintr-o camer alb industrial trebuie completrennoit la fiecare 7 secunde, evitnd totodat oriceturbulenla nivelul zonelor de lucru. Cteva milioane de

m3de aer sunt vehiculate ifiltrate n timp de o orntr-ohal n care au loc procese de producie din domeniulsemiconductorilor. Filtrele utilizate au dimensiunileporilor de 0,2 m i se numesc filtre absolute.Echipamentele de procesare care pot genera particule

sunt instalate n afara camerelor albe, operarea fcndu-se prin deschideri etane practicate n pereii camerei.Plachetele de siliciu sau mtile sunt manipulate itransportate exclusiv sub hote cu flux laminar instalate ninteriorul camerelor albe. O astfel de hotare propriul ei

sistem de recirculare i filtrare a aerului, clasa dedesprfuire care poate fi atins fiind mai bun de 100.Operatorii aflai n interiorul camerei albe folosesccostume speciale antistatice cu mti


16/69

Antistatizarea

Electricitatea static reprezint un pericolmajor pentru fabricaia de dispozitivesemiconductoare i circuite integrate datorit

efectelor directe (strpungerea dielectricilor,deteriorarea jonciunilor, etc), ct i datoritefectelor indirecte legate de reinerea

particulelor de praf, care pot fi eliberate apoin mod necontrolat.


17/69

Msuri de antistatizare la nivelul ncperilorde lucru cum ar fi:

utilizarea de ionizatoare ale aerului i ale jeturilorde azot;

acoperirea pereilor i mai ales a podelei cumateriale antistatice;

purtarea de costume antistatice. Pentru protecia antistatica cipurilor se iau msuri

de protecie integrate (fiecare pad al cipului esteprotejat) ct i la manipularea cipurilor (conectarea

la mas a minilor operatorului, ambalajeantistatice, etc).


18/69

Tendine n evoluia tehnologiei electronice

Complexitatea din ce n ce mai mare a produselor

electronice din societatea contemporan determinmodaliti diferite de cele de pn acum nrealizarea produselor electronice.

n domeniul circuitelor integrate prin coborrea subbariera de un micrometru, cu tendine de obinereade rezoluii de zeci de nanometrii, a fcut posibilobinerea de circuite complexe ce cuprind milioanede tranzistoare i pori logice pe o singur pastilde

siliciu (cip).


19/69

Pe msura creterii complexitii sistemelorintegrate, testarea acestora devine din ce n ce mai

dificil. Proiectarea de circuite trebuie

sin

seamade acest aspect, iar automatizarea testrii va jucaun rol important n creterea productivitii i acalitii fabricaiei.

La stabilirea tehnologiilor proprii, roluri foarteimportante joac experiena i istoria tehnologic afirmei n cauz, accesul la anumite echipamente imateriale, destinaia circuitelor fabricate, precum i

concepia proprie legat de reducerea cheltuielilorde fabricaie. Educaia tehnologic a factorilorimplicai n domeniul microelectronicii este esenial.


20/69

Pentru realizarea dispozitivelor semiconductoaresau a circuitelor integrate (CI.) se folosesc

plachetele de siliciu monocristalin sau placheteepitaxiale. Pentru a realiza dispozitivesemiconductoare este necesar impurificareacontrolat (doparea) unor zone de pe suprafaa

cipurilor pe care se vor realiza jonciunile saucomponentele pasive de circuit. Dintre tehnicile dedopare folosite n realizarea de dispozitiveelectronice i circuite integrate cele mai folosite

sunt: difuzia i implantarea ionic. Tot n aceleaiscopuri, dar cu utilizare mai restrns, (laimpurificarea germaniului) se folosete tehnicaalierii.


21/69

Difuzia

Difuzia este un procedeu flexibil ibine controlat deobinere a unei distribuii de impuriti n structuramaterialului (dopare), n scopul obinerii jonciunilorsau a altor structuri necesare n fabricareadispozitivelor semiconductoare. Difuzia corespundetendinei de mprtiere (dispersie) a particulelor,

atomilor sau moleculelor substanelor sub aciuneaunei energii de excitaie furnizat din exterior subform de cldur. La temperatura ambiantfenomenul de difuzie este prezent numai n mediulgazos, mai puinaccentuat n mediu lichid ipractic

inexistent n mediu solid. Pentru a obineo difuzie nmedii solide, respectiv n cristale semiconductoare,trebuie ca materialul sa fie nclzit la temperaturiridicate (n jurul valorii de 1000C).


22/69

Difuzia n medii solide (cristale) este posibil numai dac atomiidifuzanti au un nivel de energie suficient de mare, pentru a puteadepi barierele energetice din cristal (spre exemplu barierele depotenial atomic). De aceste bariere de potenial va depinde tipul de

mecanism de difuzie ce intervine. Sunt definite patru mecanisme dedifuzie principale: mecanism lacunar, prin care atomul ce difuzeaz ocup lacuna (locul

vacant) lsat de un atom al reelei cristaline, care s-a deplasat la rndullui (prin autodifuzie);

mecanism interstiial, prin care atomii difuzanti se deplaseaz n spaiuldintre atomii cristalului (spaiul interstiial); acest mecanism intervine

preponderentul cazul difuziei atomilor de dimensiuni mici (de exemplu,la atomul de bor); mecanism interstiial combinat cu mecanism lacunar, prin care atomul

difuzat ia locul unui atom al reelei, trimindu-l n spaiul interstiial;pentru a realiza aceasta nlocuire, atomul difuzant trebuie sa aib unnivel ridicat de energie;

mecanisme de grup, n care intervin mai muli atomi; acest mecanismintervine n special n cazul difuziei atomilor de dimensiuni mari.


23/69

Modelul difuziei

Mecanismele difuziei pot fi modelatematematic, dar ar necesita o putere de calculfoarte mare pentru a simula difuzia unuinumr important de atomi. Este mult maisimplu s se modeleze difuzia statistic, lanivel macroscopic. O astfel de tratare se

realizeazpe baza legilor difuziei.


24/69

Modelul difuziei impuritilor n structura

cristalin a materialului de baz

Coeficientul de difuzie

D=D(T, Wa) - depinde de

temperatura T i de

energia de activare Wa amicrodifuziei:


25/69

Difuzia impuritilor n SiO 2 este mult

mai lentdect n Si, fiind caracterizatprintr-un coeficient de difuzie mai mic cucteva ordine de mrime. Pe aceast

proprietate se bazeaz efectul deecranare al oxidului de siliciu, efectfolosit n tehnologia planarde realizare

de dispozitive semiconductoare i decircuite integrate.


26/69

Notiuni generale privind ecranarea electromagnetica

La cuplajul parazit realizat prin radiaie, energia electromagnetic se transferde la sursa perturbatoare la victim att prin cmp electric, ct i prin cmp

magnetic care se propag n spaiu sub form de unde electromagnetice.

Metoda de protecie mpotriva cuplajului electromagnetic se numeteecranareelectric, ecranare magnetic, respectiv ecranare electromagnetic, n funcie

de natura cmpului perturbator;

Mijloacele de protecie utilizate se numesc ecrane electrice, ecranemagnetice

i ecrane (blindaje) electromagnetice. Un ecran electromagnetic este o anvelop conductoare care separspaiul n

dou regiuni, una care conine sursele de cmp electromagnetic i alta, care nu

conine astfel de surse.

Funcia ecranului este, deci, s izoleze cele dou regiuni, una fa decealalt,

din punct de vedere al prezenei cmpului electromagnetic. Pentru a-i ndeplini aceast funcie, rolul ecranului este de a oferi oaceeai

referin de potenial att pentru circuitele externe, ct i pentru circuitele

interne (din interiorul anvelopei).


27/69

Tehnologia difuziei

Impurificarea prin difuzie se realizeaz

prin aducerea la suprafaa materialuluisemiconductor a impuritilor n fazgazoas, lichidsau solid.


28/69

Difuzia din faz gazoas

n cazul difuziei din faza gazoas impuritile suntantrenate de un mediu gazos (gaz purttor).Procesul de difuzie se realizeaz n reactoare dedifuzie, la temperaturi de 800-1300C.

La temperaturi mai joase, coeficientul de difuzie alimpuritilor este foarte mic, iar la temperaturi maimari se formeaz defecte n structur care

nrutesc calitatea straturilor difuzate. Atomii deimpuritate de tipul dorit sunt adui n stare gazoasfiind transportain reactor de ctreun gaz inert.


29/69

Reactor de difuzie


30/69

Atomii de impuritate se vor deplasa din zona deconcentraie ridicat, din mediul gazos n mediul deconcentraie mai sczut (materialul semiconductor),

proces favorizat de temperatura mediului, dup care vordifuza n materialul semiconductor. Dac la suprafaa Si se ajunge la un echilibru, ntr-un

interval de timp mai scurt dect durata difuziei, atunci sepoate considera c la suprafaa semiconductoruluiconcentraia N(x,t) este constant. Varianta tehnologica instalaiei de difuzie cu concentraia N(x,t) constantse realizeaz prin difuzia n tub nchis. n acest caz,plachetele din material semiconductor sunt nchise

mpreun cu sursa de

impuriti n

aceeai

incint.

Aceast modalitate este flexibil, permind un numrmare de difuzii diferite, dar nu este utilizabil la fabricareadispozitivelor pe scarmare.


31/69

Varianta care a cptatnso extindere mai mare lafabricarea structurilor cu siliciu este difuzia n tubdeschis. Principalul avantaj al acestei metode estefaptul c permite prelucrarea unor loturi de seriemare i totodat permite mascarea cu oxizi pentrucontrolul geometriei regiunilor difuzate. Exist maimulte variante ale difuziei n tub deschis n funcie

de sursa de impuriti i de concentraiile acestora.De obicei, este convenabil ca procesul de difuzie sse efectueze n douetape.

n prima etap impuritatea se depune la suprafaa

semiconductorului sau ntr-o scobitura acestuia. n etapa urmtoare se va face impurificarea

materialului la adncimea dorit.


32/69

Realizarea difuziei n dou etape se justific prin existenatemperaturilor ridicate, care Ia o difuzie adnc, ntr-oatmosfer neoxidant, poate deteriora suprafaa plachetelor.

Dac atmosfera este oxidant se formeaz stratul de oxidSiO2 care mascheaz placheta fa de toate impuritileuzuale (elemente din grupa a-III-a i a-V-a) cu excepiagaliului.

Deoarece, oxidarea are loc simultan cu depunerea materialuluide la

surs,procesul de difuzie devine necontrolabil. La difuzia n

dou etape n prima faz se realizeaz o predifuzie(predepunere) a impuritilor la temperaturi mai sczute, subnivelul de evaporare a suprafeei semiconductorului, ntr-oatmosfer neoxidant.

Avantajele metodei de difuzie n faz gazoas constau n

simplitatea instalaiei i n posibilitatea de a regla cu precizieparametrii de difuzie.


33/69

Difuzia din faz lichid

Difuzia din faz lichid are loc atunci cnd la suprafaa materialului semiconductor se formeaz faza lichid amaterialului de impurificat.

Acest lucru se ntmpl atunci cnd presiunea parial a

materialului de difuzie este suficient de mare. Impuritilenfaz lichid interacioneaz la suprafa cusemiconductorul formnd un aliaj sau un compus chimic.

O serie de elemente ca In, Al, Ga se pot depune pesuprafaa Si prin evaporarea termic n vid i apoi, n

condiii prestabilite, elementele de impurificat difuzeaz nplacheta de material semiconductor. La atingereatemperaturii de difuzie la suprafaa Si se formeaz un stratde aliaj lichid.


34/69

Difuzia din faz solid Difuzia din faz solid este ntlnit n cazul straturilor din

materiale semiconductoare diferit impurificate care segsesc n contact intim aflate n condiii de temperatur ridicat. La o temperatur suficient de mare impuritilevordifuza n regiunea apropiat, care iniial nu conineaimpuriti.

Surse solide sunt materiale de tipul sticlei, coninnd substane dopante ca nitrura de bor sau sticla dopat cufosfor. Aceste surse se prezint sub forma de plachete(discuri) i sunt introduse n cuptor printre plachetele desiliciu ce urmeaz a fi dopate. Sticla dopat se evapor i

se depune pe plachete. Prin nclzirea la temperaturanalt a plachetelor, n cuptor, materialele de impurificare(dopanii) depui pe suprafa difuzeaz spre interiorulsubstratului.


35/69

Tehnici de difuzie

n cazul siliciului principalele impuritiacceptoare sunt: B, Ga, In, iar impuritidonoare sunt: P, As, Sb. n comparaie cu

fosforul, arseniul i stibiul sunt difuzanirelativ leni. Constantele de difuzie i solubilitile elementelor de impurificare

frecvent utilizate n practicsunt cunoscute ise indicn funciede temperatur.


36/69

Difuzia fosforului

Difuzia fosforului se efectueaz cel mai convenabilprintr-un procedeu n dou etape. Surse deimpurificare sunt compuiai fosforului, din care celemai convenabile sunt: fosforul rou, P

2

O5

(oxidfosforic), POCl3 iPCl 3.

Instalaia de difuzie const n cuptorul de difuziepropriu-zis, funcionnd la temperaturi mari 1000-

1200C i cuptorul surs la care temperatura esteconsiderabil mai sczut,de ordinul a 200C pentruP2O5.


37/69

Instalaia de difuzie pentru P2O5


38/69

n prima parte a procesului de impurificare seefectueaz o predifuzie. n acest caz, temperaturacrete monoton, de la elementele de nclzire ale

sursei pn la plachetele de siliciu, astfel nctmaterialul evaporat de la surs s nu condensezepe pereii cuptorului. Transferul impuritilor de lasurs se realizeaz cu ajutorul unui gaz purttor(azot sau argon), care trebuie s fie saturat cu

vaporii sursei de impurificat. Gazul traverseaz unfiltru cu vat de cuar, pentru a reine particuleleantrenate pe parcurs, dup care trece pe deasupraplachetelor de siliciu i apoi prin orificiul deevacuare. Cantitatea de fosfor ce se depune i

impurificpastilele de siliciu depinde de

temperatur

(crete exponenial cu temperatura) i de timpul dedepunere.


39/69

Pentru materiale de impurificare n starelichid instalaia este asemntoare, n

cuptor se introduce un gaz inert saturat cuvaporii lichidelor P0CI3 sau PCl 3 care suntlichide cu temperatur de fierbere sczut.Cantitatea de impuriti se modific prin:ajustarea temperaturii sursei de impuriti i prin reglarea debitului de gaz de la surs.


40/69

Dup predifuzie, difuzia necesar pentru a

obine adncimea dorit se efectueaz natmosfer oxidant. Drept atmosferoxidant se folosete: oxigenul uscat,oxigenul umed, azotul umed ivapori de ap.Cantitatea de oxid trebuie s fie corelat cuefectele secundare ce pot apare n mediuoxidant (deteriorarea suprafeei prin

evaporare, procese de oxidare).


41/69

Difuzia borului

Borul este materialul difuzant, frecvent utilizatdatorit solubilitiiridicate pe care o prezint,avndposibilitatea de a fi mascat uorde oxizi. Sursele deimpurificare sunt reprezentate de compuiai boruluin stare gazoas: oxidul de bor (B2O3), triclorura debor (BCI3) i triclorura de brom i bor (BBr 3BCl3).Aceti compuise livreazn butelii speciale n caregazele sunt lichefiate i sub presiune. Halogenurileprezint tendina de a ataca suprafaa pastilelor desiliciu (fenomenul de "ciupire"). Fenomenul estepronunat n cazul BCl 3. Efectul poate fi minimizatprin adugarea n gazul purttor inert a unei micicantiti de oxigen ihidrogen (de ordinul 1%).


42/69

Instalaia care se utilizeaz pentru difuzia

borului este asemntoare cu cea folosit ladifuzia fosforului, cu deosebirea c nregiunea sursei este necesar

o temperatur mult mai ridicat, de ordinul800-900C. La utilizarea oxidului de bor(B2O3) n stare solidse poate obineo gamlarg de concentraii, dar rezultatele nu sunt

ntotdeauna reproductibile.


43/69

Difuzia galiului Difuzia galiului este deosebitde variantele anterioare, deoarece

se realizeaz ntr-o singur etap. Aceasta, deoarece galiul, la

temperatura de difuzie, penetreaz stratul de oxid de siliciu,astfel c acesta ofer o ecranare redus fa de siliciu aflatdedesubt.

Sursa de Ga este oxidul refractar de galiu Ga2O1. Instalaiaconine un cuptor cu dou zone, n care sursa de Ga estemeninut la o temperatur cuprins ntre 800C i temperatura

de difuzie. Peste surs se trece un curent gazos ce conine ocantitate de hidrogen necesar pentru a reduce Ga2O1 cuformarea de elemente volatile. Reaciace are loc are urmtoareaform:

Presiunea elementelor volatile poate fi controlat prin raportulpresiunii hidrogenului fa de vaporii de ap. Prin aceastvariantse realizeazdifuzii uniforme i bine controlate.


44/69

Analiza straturilor difuzate

Dup obinerea straturilor difuzate, acesteatrebuiesc analizate din punct de vedere alparametrilor fizico-chimici, n studiul straturilordifuzate prezint interes urmtoarele caracteristici:

concentraia impuritilorla suprafa; distribuia spaial a difuzantului pe direcia dedifuzie;

adncimea de ptrunderea jonciunilorp-n; valoarea gradientului concentraiei impuritilor n

jonciuneap-n.


45/69

Determinarea caracteristicilor straturilor difuzate

a)Determinarea adncimii stratului difuzat

Metoda colorrii selective const n rodarea laterala plachetei cu zona difuzat la un unghi de 1...5dupcare se introducere n soluiede acid florhidricsau de acid azotic cu un colorant (CuSO4 - sulfat de

cupru). Dup meninere n soluie zona rodat secoloreaz. Zona de tip p este mai ntunecat dectmaterialul semiconductor de tip n (zona n nu imodific culoarea). Lungimea l a zonei colorate se

poate msuraoptic (microscop) sau prin franjare deinterferen. Cunoscnd valoarea unghiului ,rezultvaloarea grosimii stratului difuzat x.


46/69

lefuirea sub unghi n metoda colorrii selective


47/69

Metoda tensiunii fotovoltaice

Metoda tensiunii fotovoltaice este o metodmodern, care d rezultate mai precise dectmetoda anterioar. Prin metoda tensiuniifotovoltaice se pot determina adncimile deimpurificare (adncimea jonciunilor) cuprinse ntre

0,5-10 m cu o precizie mai bun de 2%. n acestscop, jonciunea p-n cu strat difuzat se lefuietesub un unghi =1, iar regiunile p i n ale jonciuniise conecteaz prin intermediul unui preamplificator

la intrarea unui voltmetru selectiv (nanovoli).Jonciunea se deplaseaz cu ajutorul unui urubmicrometric n faa fascicolului de lumin cudimensiuni de ordinul 2-10 m.


48/69

Prin baleierea suprafeei lefuite de ctrefascicolul de lumin modulat de la zona n

spre zona p semnalul de la voltmetru,sincronizat cu sursa de lumin L va avea ocretere apoi un palier. La atingerea zonei nsemnalul obinut va avea o scdere.Adncimea de ptrundere x j a jonciuniicorespunde poziiei stabilitpe micrometru lapoziian care semnalul ncepe s scad.


49/69

Rezistivitatea de suprafa sau rezistena de ptrat

Parametrul electric cel mai utilizat pentru

caracterizarea straturilor difuzate esterezistena de ptrat. Pentru a defini aceastmrimese va porni la calculul rezisteneiuneiprobe paralelipipedice cu dimensiunile Lxgxwde siliciu uniform dopate. Dac se considerpentru materialul dopat o rezistivitate p,rezistena echivalent a probeiparalelipipedice este:


50/69

Mrimea R [ ] reprezint rezistenade ptrat a stratului. Deoarecerezistena de ptrat este rezistenaoricrui strat de form ptrat cugrosimea g, unitatea de msurfrecvent folosit este ohm/ptratRezistivitatea stratului difuzat

depinde de concentraia de purttoride sarcin i deci ea variaz cuadncimea. Rezistena de ptrat astratului difuzat R cu rezistivitateamedie

i adncimea x

j se

determincu relaia:


51/69

Localizarea zonelor dopate

Pentru selecia zonelor ce urmeaz a seimpurifica prin difuzie se utilizeaz mtilededifuzie. Acestea sunt obinute prin procedee

litografice (fotolitografice, electronolitografice,ionolitografice sau roentgenlitografice).Tehnica litografic aplicat pentru realizarea"ferestrei de difuzie" cuprinde urmtoarele etape:


52/69

curarea idegresarea suprafeeiplachetei; depunerea neselectiv a stratului de protecie

(ngreuneazdifuzia la Si -SiO2

, Si3

N4

; depunerea stratului de rezist (fotorezist,

electrorezist, etc); expunerea selectiv la lumin ultraviolet

(fotolitografie); developarea; corodarea stratului de protecie; ndeprtarea rezistului (cu un solvent organic).

Dup crearea ferestrei de difuzie i introducerea nreactorul de difuzie se obineo difuzie localizat dectrestratul din SiO 2sau Si 3N4.


53/69

Caracteristicile zonelor difuzate Metoda difuziei este deosebit de flexibil n ceea ce privete

geometria zonelor difuzate, care se pot caracteriza prinurmtoarele:

se pot obinejonciuni plane cu excepia zonelor de la marginileferestrelor deschise n oxid, unde forma este aproximativcilindric, pe suprafee marii cu geometrii diferite;

pot s apar erori de localizare datorit efectelor laterale erorilede localizare se pot evita printr-o dimensionare "contractat";

n aceeai zonse pot realiza succesiv mai multe jonciuni;

Obinerea unei jonciuni.

Efectul difuziei laterale


54/69

Implantarea ionic Implantarea ionic reprezint procesul de introducere a atomilor

de impuritate ntr-un material semiconductor de baz prinbombardarea acestuia cu un fascicol nefocalizat de ioni cuenergie ridicat (de ordin keV...sute keV). Implantarea ionic nueste un proces termic care de multe ori duce la efecte secundarei din aceasta rezult o serie de avantaje. De asemenea, laimplantarea ionic concentraia de impuriti nu depinde de

materialul n care se face implantul, ci numai de caracteristicileionilor, de natura acestora i de energia aplicat. n tehnologiaplanar, implantarea ionic poate fi folosit pentru introducereaunei anumite cantiti de impuritate n semiconductor, fie pentrua realiza un anumit profil al concentraiei. Operaia este folositpentru doparea plachetelor semiconductoare n timpul

fabricrii

dispozitivelor electronice (crearea zonelor de surs i drena latranzistoarele MOS, a bazei iemitorului tranzistoarelor bipolare,etc...).


55/69

Atomii dopani sunt de obicei: B, P, As, In,etc... Pentru accelerarea atomilor ionizai sefolosesc energii cuprinse n gama 3 keV pnla 500 keV. Adncimea medie de ptrundere poate fi cuprins ntre 100 i1 \xm, aceasta

depinznd de: natura materialului n care se face

implantarea;

de natura ionilor dopani; de energia de accelerare.


56/69

Tehnologia implantrii ionice

Instalaia de implantare ionic conine osursde ioni care sunt acceleraielectrostaticspre un separator magnetic dupcare, printr-

un sistem de corecie i deflexie sunt dirijaispre suprafaa intei.


57/69

n zona intei se afl materialul semiconductor acrui geometrie de impurificat se ajusteaz prinintermediul mtii de metal sau de stratul de oxid

care trebuie s fie suficient de gros pentru a opriionii. Procesul de implantare se realizeaz n vid. Inmomentul ptrunderii ionilor n reeaua cristalin amaterialului aflat n int succesiunea proceselorcare au loc este urmtoarea:

ciocnirea ionilor cu nodurile reelei cristaline amaterialului prin care se produc defecte structuraleiperturbarea simetriei din vecintateatraiectoriei;

interaciuneacu electronii aflai pe traseu (cedare deenergie) fra- imodifica traiectoria;

modificarea traiectoriei ionilor la ciocnirea cunucleele din nodurile reelei cristaline.

d l l i l ii i i


58/69

Modelul implantrii ionice

Distribuia spaial a ionilor implantaidepinde de muli parametri care uneori suntgreu de controlat:

starea suprafeei intei;temperatura intei;

doza de iradiere;

orientarea fascicolului de ioni n raport cucristalul.


59/69

Distanape care o parcurge ionul n interiorulmaterialului semiconductor (int) pn la

oprire poart denumirea de parcurs.Parcursul total este format din mai multeporiuni aproximativ liniare. Vectorul careunete punctul de inciden cu punctul n

care se oprete ionul poart numele devector de parcurs R. Matematic valoareavectorului de parcurs R rezult prinnsumarea traiectoriilor pariale:


60/69

Proieciavectorului R pe direciafascicolului incidentpoartdenumirea de vectorul parcursului nominal ise noteaz cu RP. Distribuia spaiala atomilor deimpuriti poart numele de profil de frnare sau

profil de implantare.


61/69

Profilul de implantare poate fimpritn trei regiuni:

regiunea din apropierea suprafeei intei (regiunea

I), zon care cuprinde particule care nu "simt" -structura reelei cristaline i au o distribuie asemntoarecu cea din materialele amorfe;

regiunea ce urmeaz (regiunea a-II-a) conine

particule care au suferit abateri de la traiectoria debaz(particule decanalizate);

regiunea a-III-a cuprinde particule decanalizatepnla momentul opriri lor n structur.


62/69

Problema important la implantarea ionicconst n calcularea sau determinarea

experimental a parametrului vector deparcurs RP n funcie de energia deaccelerare a ionilor. Pentru calculul adncimii

maxim de ptrundere a particulelorcanalizate Rmax [pm] se folosete o relaieutilizat la calculul jonciunilor realizate prinimplantare ionic:


63/69

La implantarea ionic prezint interes nunumai parcursul ionilor, ci i distribuiaparcursurilor, adic abaterea parcursurilor de

la valoarea medie. Dac nu exist fore caresdirijeze ionii n direcii prefereniale,atuncise poate presupune o distribuie dup curbade probabilitate datde Gauss.

P i l i i l i l ii i i


64/69

Particulariti ale implantrii ionice

Proprietile electrice ale straturilor dopate prin implantare suntdeterminate de poziia impuritilor n reeaua cristalin. Spredeosebire de celelalte metode de impurificare, n care poziiaimpuritilor este determinat de echilibrul termodinamic, laimplantarea ionic are loc un proces de neechilibru ntre atomii

aflai n nodurile reelei i cei aflai n interstiii. Dac dupimplantare se realizeaz un tratament termic la temperaturi dince n ce mai ridicate, atunci crete gradul de ocupare de ctreimpuritia nodurilor reeleicristaline.

Defectele de structur care se obin pentru aceeai energie aionilor incideni crete odatcu masa ionilor.

Un parametru important care afecteaz distribuia i concentraiadefectelor este temperatura intei. Numrul defectelor scade nanumite limite prin cretereatemperaturii sursei.


65/69

Dintre caracteristicile straturilor implantate ionic sepot meniona:

localizarea cu o bun rezoluie a zonelor dopate,lucru ce permite obinerea unei densiti mari deintegrare;

adncimea de ptrundere a impuritilor implantate

este mai micdect n cazul difuziei; se reduc efectele secundare ce pot aprea la

procesele termice care nsoesc alte metode deimpurificare (difuzia, epitaxia, alierera);

profilul implantrilor realizate prezint un maximpronunat n zona central i fronturi rapidcztoare.


66/69

Implantarea ionicse poate utiliza la:

realizarea unor dopri foarte reduse pentruobinerea de rezistene cu valori nominalemari din structura circuitelor integrate;

doparea unor straturi subiri (de ordinul 0,1um) pentru tranzistoarele denalt frecven.

Doparea semiconductorilor prin implantareioniceste o tehnologie scump i complex,

motiv pentru care se utilizeaz numai naplicaiimai speciale.


67/69

Proprietile electrice ale straturilorimplantate sunt caracterizate cu ajutorul

urmtorilorparametri: rezistivitatea de suprafa s (conductivitatea

de suprafa s);concentraia purttorilor de sarcin de la

suprafaNs; mobilitatea efectiv ef a purttorilor de

sarcin,

distribuia concentraiei purttorilorde sarcini a mobilitii deadncime {N(x) i (x)).

Obi j i il


68/69

Obinerea jonciunilor

Adncimea de ptrundere xj a jonciunilor realizate

prin implantare ionic este determinat de omultitudine de factori mai mult sau mai puincontrolabili. n practic pe baza experimentelor sededuc relaii semiempirice, pe baza crora se potaprecia suficient de precis adncimile de ptrundere

n condiii date. Aceast tehnic permite controlulprecis al cantitii totale de atomi implantai(a dozeide implantare) ia profilului concentraieide dopantce se realizeaz n substrat. Acest grad ridicat deprecizie permite, spre exemplu, ajustarea fin a

ctigului unui tranzistor bipolar sau ajustareaexact a tensiunii de prag a unui tranzistor MOS(sau stabilirea tipului de tranzistor MOS cumbogire sau cu srcire).


69/69

Localizarea doprilor obinute prin implantareionicse poate face la fel ca n cazul difuziei,dar grosimea mtii de oxid trebuie s fiesuficient de mare, pentru ca la energiile

uzuale ale ionilor incideni, aceasta s nupoatfi traversat. Alt procedeu de localizareconst n utilizarea mtilormetalice care se

interpun pe traiectoria dintre fascicolulincident i int.

Documents

Litografia CA Metodă de Procesare a Nanomaterialelor