LITOGRAFIA CA METOD DE PROCESARE A NANOMATERIALELOR

Fotolitografia

Caracteristicile electrice i explotaionale a dispozitivelor microelectronice sunt nemijlocit legate de dimensiunea elementelor i poziionarea reciproc a lor pe suprafat. Fotolitografia este un procedeu de baz i pn ce unical n localizarea cu precizie foarte nalt local a prelucrarii micro i nano, utilizat pentru obinerea dimeniunilor necesare i a configuraiilor elementelor n sistemele integrale mari (SIM).

Fotolitografia consta dintr-o combinaie de un ir de procese fizice, fotochimice i chimice i se utilizeaz pentru formarea unei mati protecie pe suprafaa unei placi semiconductore. Pentrui aceasta este utilizat un material sensibil la lumin fotorezist, care posed rezisten la mediile agresive (acizi, baze alcaline). Stratul subire de fotorezist este depus pe un suport semiconductor i se efectuiaz expunerea 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 slabirea solvabilitaii in soluiile chimice determinate. Dup developare pe suprafaa suportului ramne stratul protector de fotorezist, ce repet configuraia pozitiv sau negativ a fotomtii. Etapa urmtoare este corodarea materialului suport a sectoarelor neprotectoare de fotorezist sau depunerea altor materiale pe aceste sectoare. De exemplu, pe SiO2 n timpul corodrii are loc nlturarea stratului dielectric pe acele sectoare unde trebuie s fie formate structuri de difuziune, iar utilizarea fotolitografiei asupra metalelor se formeaz sectoarelor de contact a interconectrilor elementelor pasive.

Pentru efectuarea fotolitografiei se utilizeaz instalaii mecanice, opto-mecanice i chimice, la care sunt impuse cerinte mai mari.

Etapele procesrii fotolitografie

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

Fie o sticl de cuar. Pe aceast sticl se depune consecutiv un strat de titan (Ti) care are o foarte bun adeziune pe sticl i n plus nu emite electroni prin fotoemisie. Prin oxidare anodic pelicula de Ti se transform n TiO2. Dup aceasta cu ajutorul litografiei cu fascicol electronic de scanare se formeaz desenul viitoarei mti (dimensiunile sunt submicronice). Apoi pe suprafaa mtii se 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 suprafeei peliculei de PMMA. n acelai fel se obine rapid o masc. Deoarece sistemul este n vid alinierea nu se mai face ca pn acum. Nu se poate pune microscop pt. a vedea semnele de pe placue, ca urmare se va face aliniere n regim automat. 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 sticl trece perfect prin gaura din plachet. Acest rol este ndeplinit de un fotoreceptor

Litografia cu raze x

Razele x caracteristice apar de ex. ntr-un atom de Cu:

Instalaia i principiul de lucru al litografiei cu raze x

Litografia cu fascicul de electroni

Procesarea cu fascicul de electroni a fost dezvoltata initial pentru gravarea fina a plachetelor de semiconductoare precum si realizarea de gauri fine si suprafete texturate pe 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 suprafa pana la o adancime Rp, unde cei mai muli dintre ei sunt absorbii. Adancimea experimentala i teoretica de penetrare este:

Rp=2,2x10-12V2/

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

Acest proces se bazeaza pe activarea materialelor electronic sensibile, cum ar fi polimerii. Atomii din astfel de materiale sunt activai de electronii care trec pe lnga nucleu. Cu alte cuvinte, electronii incideni activeaza atomii sensibili la aciunea electronilor, determinnd polimerizarea sau depolimerizarea de-a lungul traseului strabatut de electroni. Procesul a fost utilizat pentru a se realiza rezoluii de nalta dimensiune n domeniu subnanometric, ntruct nu apare nici un fel de difuzie termica, iar mprastierea este neglijabila. De aceea, un fascicul de electroni fin focalizat poate produce o gravare cu o acuratee subnanometrica n procesarea atom cu atom bazata pe activarea reactiva.

Procesarea cu fascicul ionic dirijat

O metoda fundamentala de procesare a materialelor care utilizeaza ioni este prelucrarea cu 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 (corespunzand unei viteze de 200 km s-1), sunt orientai unidirecional si proiectai asupra suprafeei materialului de prelucrat sub un vid inalt (1,310-4 Pa).

Spre deosebire de procesarea cu fascicul electronic, cei mai muli dintre ionii proiectai interacioneaza 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 atomilor materialului 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 ioni mprastia!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 mai mari, de exemplu 100 keV, pot penetra mai departe prin reeaua atomica, devenind atomi interstiiali sau substituionali in stratul superficial. Acest tip de proces de penetrare adanca este utilizat pe scara larga pentru implantarea ionica, prin care impuritaile de dimensiune atomica sunt injectate in procesul de prelucrare a plachetelor semiconductoare

Formarea cu fascicul de fotoni sau laser

Exista doua tipuri de procese n prelucrarea cu fascicul fotonic sau laser: termic si

chimic.

(a) Procesul termic

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

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

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

fotoni sau laser.

(b) Procesul chimic

Energia fotonului depinde de lungimea de unda. Polimerii sunt alcatuiti din atomi de carbon, hidrogen etc. Energiile legaturilor

C-C si H-H sunt 4,6 si respectiv 4,2 eV; rezulta de aici ca fotonii cu energia mai mare decat aceste niveluri pot rupe direct legaturile atomice de C si H. Un fascicul laser cu excimeri are capacitatea de a actiona direct asupra legaturii moleculelor de acest fel. Cand un fascicul laser cu excimeri de intensitate mare este absorbit intr-un strat subire al unui material, moleculele sunt dezintegrate in atomii constituenti sau molecule cu masa moleculara mai mica. Volumul se mareste si astfel constituenitii sunt ejectai, formandu-se o cavitate; acest proces este denumit ablatiune. Acest lucru este relativ usor de indeplinit in polimeri si se poate realiza, de asemenea, in metale, sticle si ceramici prin utilizarea unei densitati de putere mai mare.

Procesul de ablaiune datorita fasciculului de fotoni UV de inalta densitate de putere (fascicule laser cu excimeri).

Durata impulsului unui laser cu excimeri este de ordinul a 10 ns, astfel ca densitatea de putere este estimata la 106 Wmm-2, pentru ablatiunea polimerilor de catre fascicule laser cu KrF sau XeC. Aceasta este o densitate de putere de un ordin care se dovedeste a fi prea mare pentru procesul termic

Condiii tehnologice n fabricaia semiconductorilor

Principala cerin care trebuie asigurat n toate operaiile proceselor de fabricaie a dispozitivelor semiconductoare i a circuitelor integrate este curenia. Un singur fir de praf de dimensiuni micronice care se depune pe o plachet poate face inutilizabil un cip coninnd cteva milioane de tranzistori. De aceea, ntregul proces de fabricaie se efectueaz n spaii speciale denumite "camere albe" n care condiiile de mediu i de curenie sunt strict controlate.

*

Atmosfera are temperatur constant, umiditatea este strict controlat, iar numrul de particule de praf trebuie s fie ct mai mic. Gradul de "puritate" (de curenie) a unei ncperi se definete prin numrul de particule cu diametrul mai mare de 0,5 m existente ntr-un volum de 1 ft3 (1 ft =1 picior = 30 cm, rezult c l ft3 = 0,027m3 = 27 litri).Denumirea de "camer alb" se atribuie unei ncperi dac clasa ei de puritate este mai mic de 1000. Atingerea acestei performane necesit un echipament complex i costisitor. Acestea sunt construite din perei cu proprieti speciale i prevzute cu "duuri" de aer pentru accesul personalului, realizate dup principiul ecluzelor.

*

Aerul dintr-o camer alb industrial trebuie complet rennoit la fiecare 7 secunde, evitnd totodat orice turbulen la nivelul zonelor de lucru. Cteva milioane de m3 de aer sunt vehiculate i filtrate n timp de o or ntr-o hal n care au loc procese de producie din domeniul semiconductorilor. Filtrele utilizate au dimensiunile porilor 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 i transportate exclusiv sub hote cu flux laminar instalate n interiorul camerelor albe. O astfel de hot are propriul ei sistem de recirculare i filtrare a aerului, clasa de desprfuire care poate fi atins fiind mai bun de 100. Operatorii aflai n interiorul camerei albe folosesc costume speciale antistatice cu mti

*

Antistatizarea

Electricitatea static reprezint un pericol major pentru fabricaia de dispozitive semiconductoare i circuite integrate datorit efectelor directe (strpungerea dielectricilor, deteriorarea jonciunilor, etc), ct i datorit efectelor indirecte legate de reinerea particulelor de praf, care pot fi eliberate apoi n mod necontrolat.

*

Msuri de antistatizare la nivelul ncperilor de lucru cum ar fi:

utilizarea de ionizatoare ale aerului i ale jeturilor de azot;acoperirea pereilor i mai ales a podelei cu materiale antistatice;purtarea de costume antistatice.Pentru protecia antistatic a cipurilor se iau msuri de protecie integrate (fiecare pad al cipului este protejat) ct i la manipularea cipurilor (conectarea la mas a minilor operatorului, ambalaje antistatice, etc).

*

Tendine n evoluia tehnologiei electronice

Complexitatea din ce n ce mai mare a produselor electronice din societatea contemporan determin modaliti diferite de cele de pn acum n realizarea produselor electronice.n domeniul circuitelor integrate prin coborrea sub bariera de un micrometru, cu tendine de obinerea de rezoluii de zeci de nanometrii, a fcut posibil obinerea de circuite complexe ce cuprind milioane de tranzistoare i pori logice pe o singur pastil de siliciu (cip).

*

Pe msura creterii complexitii sistemelor integrate, testarea acestora devine din ce n ce mai dificil. Proiectarea de circuite trebuie s in seama de acest aspect, iar automatizarea testrii va juca un rol important n creterea productivitii i a calitii fabricaiei.La stabilirea tehnologiilor proprii, roluri foarte importante joac experiena i istoria tehnologic a firmei n cauz, accesul la anumite echipamente i materiale, destinaia circuitelor fabricate, precum i concepia proprie legat de reducerea cheltuielilor de fabricaie. Educaia tehnologic a factorilor implicai n domeniul microelectronicii este esenial.

*

Pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare sau a circuitelor integrate (CI.) se folosesc plachetele de siliciu monocristalin sau plachete epitaxiale. Pentru a realiza dispozitive semiconductoare este necesar impurificarea controlat (doparea) unor zone de pe suprafaa cipurilor pe care se vor realiza jonciunile sau componentele pasive de circuit. Dintre tehnicile de dopare folosite n realizarea de dispozitive electronice i circuite integrate cele mai folosite sunt: difuzia i implantarea ionic. Tot n aceleai scopuri, dar cu utilizare mai restrns, (la impurificarea germaniului) se folosete tehnica alierii.

*

Difuzia

Difuzia este un procedeu flexibil i bine controlat de obinere a unei distribuii de impuriti n structura materialului (dopare), n scopul obinerii jonciunilor sau a altor structuri necesare n fabricarea dispozitivelor semiconductoare. Difuzia corespunde tendinei de mprtiere (dispersie) a particulelor, atomilor sau moleculelor substanelor sub aciunea unei energii de excitaie furnizat din exterior sub form de cldur. La temperatura ambiant fenomenul de difuzie este prezent numai n mediul gazos, mai puin accentuat n mediu lichid i practic inexistent n mediu solid. Pentru a obine o difuzie n medii solide, respectiv n cristale semiconductoare, trebuie ca materialul sa fie nclzit la temperaturi ridicate (n jurul valorii de 1000C).

*

Difuzia n medii solide (cristale) este posibil numai dac atomii difuzanti au un nivel de energie suficient de mare, pentru a putea depi barierele energetice din cristal (spre exemplu barierele de potenial atomic). De aceste bariere de potenial va depinde tipul de mecanism de difuzie ce intervine. Sunt definite patru mecanisme de difuzie principale:mecanism lacunar, prin care atomul ce difuzeaz ocup lacuna (locul vacant) lsat de un atom al reelei cristaline, care s-a deplasat la rndul lui (prin autodifuzie);mecanism interstiial, prin care atomii difuzanti se deplaseaz n spaiul dintre 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 un nivel ridicat de energie;mecanisme de grup, n care intervin mai muli atomi; acest mecanism intervine n special n cazul difuziei atomilor de dimensiuni mari.

*

Modelul difuziei

Mecanismele difuziei pot fi modelate matematic, dar ar necesita o putere de calcul foarte mare pentru a simula difuzia unui numr important de atomi. Este mult mai simplu s se modeleze difuzia statistic, la nivel macroscopic. O astfel de tratare se realizeaz pe baza legilor difuziei.

*

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 a microdifuziei:

*

Difuzia impuritilor n SiO2 este mult mai lent dect n Si, fiind caracterizat printr-un coeficient de difuzie mai mic cu cteva ordine de mrime. Pe aceast proprietate se bazeaz efectul de ecranare al oxidului de siliciu, efect folosit n tehnologia planar de realizare de dispozitive semiconductoare i de circuite integrate.

*

Notiuni generale privind ecranarea electromagnetica

La cuplajul parazit realizat prin radiaie, energia electromagnetic se transfer de 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 numete ecranare electric, ecranare magnetic, respectiv ecranare electromagnetic, n funcie de natura cmpului perturbator; Mijloacele de protecie utilizate se numesc ecrane electrice, ecrane magnetice i ecrane (blindaje) electromagnetice.Un ecran electromagnetic este o anvelop conductoare care separ spaiul 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 de cealalt, din punct de vedere al prezenei cmpului electromagnetic.Pentru a-i ndeplini aceast funcie, rolul ecranului este de a oferi o aceeai referin de potenial att pentru circuitele externe, ct i pentru circuitele interne (din interiorul anvelopei).

Tehnologia difuziei

Impurificarea prin difuzie se realizeaz prin aducerea la suprafaa materialului semiconductor a impuritilor n faz gazoas, lichid sau solid.

*

Difuzia din faz gazoas

n cazul difuziei din faza gazoas impuritile sunt antrenate de un mediu gazos (gaz purttor). Procesul de difuzie se realizeaz n reactoare de difuzie, la temperaturi de 800-1300C. La temperaturi mai joase, coeficientul de difuzie al impuritilor este foarte mic, iar la temperaturi mai mari se formeaz defecte n structur care nrutesc calitatea straturilor difuzate. Atomii de impuritate de tipul dorit sunt adui n stare gazoas fiind transportai n reactor de ctre un gaz inert.

*

Reactor de difuzie

*

Atomii de impuritate se vor deplasa din zona de concentraie ridicat, din mediul gazos n mediul de concentraie mai sczut (materialul semiconductor), proces favorizat de temperatura mediului, dup care vor difuza n materialul semiconductor.Dac la suprafaa Si se ajunge la un echilibru, ntr-un interval de timp mai scurt dect durata difuziei, atunci se poate considera c la suprafaa semiconductorului concentraia N(x,t) este constant. Varianta tehnologic a instalaiei de difuzie cu concentraia N(x,t) constant se 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 numr mare de difuzii diferite, dar nu este utilizabil la fabricarea dispozitivelor pe scar mare.

*

Varianta care a cptat ns o extindere mai mare la fabricarea structurilor cu siliciu este difuzia n tub deschis. Principalul avantaj al acestei metode este faptul c permite prelucrarea unor loturi de serie mare i totodat permite mascarea cu oxizi pentru controlul geometriei regiunilor difuzate. Exist mai multe variante ale difuziei n tub deschis n funcie de sursa de impuriti i de concentraiile acestora. De obicei, este convenabil ca procesul de difuzie s se efectueze n dou etape. n prima etap impuritatea se depune la suprafaa semiconductorului sau ntr-o scobitur a acestuia. n etapa urmtoare se va face impurificarea materialului la adncimea dorit.

*

Realizarea difuziei n dou etape se justific prin existena temperaturilor ridicate, care Ia o difuzie adnc, ntr-o atmosfer neoxidant, poate deteriora suprafaa plachetelor. Dac atmosfera este oxidant se formeaz stratul de oxid SiO2 care mascheaz placheta fa de toate impuritile uzuale (elemente din grupa a-III-a i a-V-a) cu excepia galiului.Deoarece, oxidarea are loc simultan cu depunerea materialului de 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, sub nivelul de evaporare a suprafeei semiconductorului, ntr-o atmosfer neoxidant.Avantajele metodei de difuzie n faz gazoas constau n simplitatea instalaiei i n posibilitatea de a regla cu precizie parametrii de difuzie.

*

Difuzia din faz lichid

Difuzia din faz lichid are loc atunci cnd la suprafaa materialului semiconductor se formeaz faza lichid a materialului de impurificat. Acest lucru se ntmpl atunci cnd presiunea parial a materialului de difuzie este suficient de mare. Impuritile n faz lichid interacioneaz la suprafa cu semiconductorul formnd un aliaj sau un compus chimic. O serie de elemente ca In, Al, Ga se pot depune pe suprafaa Si prin evaporarea termic n vid i apoi, n condiii prestabilite, elementele de impurificat difuzeaz n placheta de material semiconductor. La atingerea temperaturii de difuzie la suprafaa Si se formeaz un strat de aliaj lichid.

*

Difuzia din faz solid

Difuzia din faz solid este ntlnit n cazul straturilor din materiale semiconductoare diferit impurificate care se gsesc n contact intim aflate n condiii de temperatur ridicat. La o temperatur suficient de mare impuritile vor difuza n regiunea apropiat, care iniial nu coninea impuriti. Surse solide sunt materiale de tipul sticlei, coninnd substane dopante ca nitrura de bor sau sticla dopat cu fosfor. Aceste surse se prezint sub forma de plachete (discuri) i sunt introduse n cuptor printre plachetele de siliciu ce urmeaz a fi dopate. Sticla dopat se evapor i se depune pe plachete. Prin nclzirea la temperatura nalt a plachetelor, n cuptor, materialele de impurificare (dopanii) depui pe suprafa difuzeaz spre interiorul substratului.

*

Tehnici de difuzie

n cazul siliciului principalele impuriti acceptoare sunt: B, Ga, In, iar impuriti donoare sunt: P, As, Sb. n comparaie cu fosforul, arseniul i stibiul sunt difuzani relativ leni. Constantele de difuzie i solubilitile elementelor de impurificare frecvent utilizate n practic sunt cunoscute i se indic n funcie de temperatur.

*

Difuzia fosforului

Difuzia fosforului se efectueaz cel mai convenabil printr-un procedeu n dou etape. Surse de impurificare sunt compui ai fosforului, din care cele mai convenabile sunt: fosforul rou, P2O5 (oxid fosforic), POCl3 i PCl3.Instalaia de difuzie const n cuptorul de difuzie propriu-zis, funcionnd la temperaturi mari 1000-1200C i cuptorul surs la care temperatura este considerabil mai sczut, de ordinul a 200C pentru P2O5 .

*

Instalaia de difuzie pentru P2O5

*

n prima parte a procesului de impurificare se efectueaz o predifuzie. n acest caz, temperatura crete monoton, de la elementele de nclzire ale sursei pn la plachetele de siliciu, astfel nct materialul evaporat de la surs s nu condenseze pe pereii cuptorului. Transferul impuritilor de la surs se realizeaz cu ajutorul unui gaz purttor (azot sau argon), care trebuie s fie saturat cu vaporii sursei de impurificat. Gazul traverseaz un filtru cu vat de cuar, pentru a reine particulele antrenate pe parcurs, dup care trece pe deasupra plachetelor de siliciu i apoi prin orificiul de evacuare. Cantitatea de fosfor ce se depune i impurific pastilele de siliciu depinde de temperatur (crete exponenial cu temperatura) i de timpul de depunere.

*

Pentru materiale de impurificare n stare lichid instalaia este asemntoare, n cuptor se introduce un gaz inert saturat cu vaporii lichidelor P0CI3 sau PCl3 care sunt lichide 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.

*

Dup predifuzie, difuzia necesar pentru a obine adncimea dorit se efectueaz n atmosfer oxidant. Drept atmosfer oxidant se folosete: oxigenul uscat, oxigenul umed, azotul umed i vapori de ap. Cantitatea de oxid trebuie s fie corelat cu efectele secundare ce pot apare n mediu oxidant (deteriorarea suprafeei prin evaporare, procese de oxidare).

*

Difuzia borului

Borul este materialul difuzant, frecvent utilizat datorit solubilitii ridicate pe care o prezint, avnd posibilitatea de a fi mascat uor de oxizi. Sursele de impurificare sunt reprezentate de compui ai borului n stare gazoas: oxidul de bor (B2O3), triclorura de bor (BCI3) i triclorura de brom i bor (BBr3BCl3). Aceti compui se livreaz n butelii speciale n care gazele sunt lichefiate i sub presiune. Halogenurile prezint tendina de a ataca suprafaa pastilelor de siliciu (fenomenul de "ciupire"). Fenomenul este pronunat n cazul BCl3. Efectul poate fi minimizat prin adugarea n gazul purttor inert a unei mici cantiti de oxigen i hidrogen (de ordinul 1%).

*

Instalaia care se utilizeaz pentru difuzia borului este asemntoare cu cea folosit la difuzia fosforului, cu deosebirea c n regiunea sursei este necesar
o temperatur mult mai ridicat, de ordinul 800-900C. La utilizarea oxidului de bor (B2O3) n stare solid se poate obine o gam larg de concentraii, dar rezultatele nu sunt ntotdeauna reproductibile.

*

Difuzia galiului

Difuzia galiului este deosebit de 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 aflat dedesubt.Sursa de Ga este oxidul refractar de galiu Ga2O1. Instalaia conine un cuptor cu dou zone, n care sursa de Ga este meninut la o temperatur cuprins ntre 800C i temperatura de difuzie. Peste surs se trece un curent gazos ce conine o cantitate de hidrogen necesar pentru a reduce Ga2O1 cu formarea de elemente volatile. Reacia ce are loc are urmtoarea form:Presiunea elementelor volatile poate fi controlat prin raportul presiunii hidrogenului fa de vaporii de ap. Prin aceast variant se realizeaz difuzii uniforme i bine controlate.

*

Analiza straturilor difuzate

Dup obinerea straturilor difuzate, acestea trebuiesc analizate din punct de vedere al parametrilor fizico-chimici, n studiul straturilor difuzate prezint interes urmtoarele caracteristici:

concentraia impuritilor la suprafa;distribuia spaial a difuzantului pe direcia de difuzie;adncimea de ptrundere a jonciunilor p-n;valoarea gradientului concentraiei impuritilor n jonciunea p-n.

*

Determinarea caracteristicilor straturilor difuzate
a)Determinarea adncimii stratului difuzat

Metoda colorrii selective const n rodarea lateral a plachetei cu zona difuzat la un unghi de 1...5 dup care se introducere n soluie de acid florhidric sau de acid azotic cu un colorant (CuSO4 - sulfat de cupru). Dup meninere n soluie zona rodat se coloreaz. Zona de tip p este mai ntunecat dect materialul semiconductor de tip n (zona n nu i modific culoarea). Lungimea l a zonei colorate se poate msura optic (microscop) sau prin franjare de interferen. Cunoscnd valoarea unghiului , rezult valoarea grosimii stratului difuzat x.

*

lefuirea sub unghi n metoda colorrii selective

*

Metoda tensiunii fotovoltaice

Metoda tensiunii fotovoltaice este o metod modern, care d rezultate mai precise dect metoda anterioar. Prin metoda tensiunii fotovoltaice se pot determina adncimile de impurificare (adncimea jonciunilor) cuprinse ntre 0,5-10 m cu o precizie mai bun de 2%. n acest scop, jonciunea p-n cu strat difuzat se lefuiete sub un unghi =1, iar regiunile p i n ale jonciunii se conecteaz prin intermediul unui preamplificator la intrarea unui voltmetru selectiv (nanovoli). Jonciunea se deplaseaz cu ajutorul unui urub micrometric n faa fascicolului de lumin cu dimensiuni de ordinul 2-10 m.

*

Prin baleierea suprafeei lefuite de ctre fascicolul de lumin modulat de la zona n spre zona p semnalul de la voltmetru, sincronizat cu sursa de lumin L va avea o cretere apoi un palier. La atingerea zonei n semnalul obinut va avea o scdere. Adncimea de ptrundere xj a jonciunii corespunde poziiei stabilit pe micrometru la poziia n care semnalul ncepe s scad.

*

Rezistivitatea de suprafa sau rezistena de ptrat

Parametrul electric cel mai utilizat pentru caracterizarea straturilor difuzate este rezistena de ptrat. Pentru a defini aceast mrime se va porni la calculul rezistenei unei probe paralelipipedice cu dimensiunile Lxgxw de siliciu uniform dopate. Dac se consider pentru materialul dopat o rezistivitate p, rezistena echivalent a probei paralelipipedice este:

*

Mrimea R [] reprezint rezistena de ptrat a stratului. Deoarece rezistena de ptrat este rezistena oricrui strat de form ptrat cu grosimea g, unitatea de msur frecvent folosit este ohm/ptrat Rezistivitatea stratului difuzat depinde de concentraia de purttori de sarcin i deci ea variaz cu adncimea. Rezistena de ptrat a stratului difuzat R cu rezistivitatea medie i adncimea xj se determin cu relaia:

*

Localizarea zonelor dopate

Pentru selecia zonelor ce urmeaz a se impurifica prin difuzie se utilizeaz mtile de difuzie. Acestea sunt obinute prin procedee litografice (fotolitografice, electronolitografice, ionolitografice sau roentgenlitografice). Tehnica litografic aplicat pentru realizarea "ferestrei de difuzie" cuprinde urmtoarele etape:

*

curarea i degresarea suprafeei plachetei;depunerea neselectiv a stratului de protecie (ngreuneaz difuzia la Si -SiO2, Si3N4;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 n reactorul de difuzie se obine o difuzie localizat de ctre stratul din SiO2 sau Si3N4.

*

Caracteristicile zonelor difuzate

Metoda difuziei este deosebit de flexibil n ceea ce privete geometria zonelor difuzate, care se pot caracteriza prin urmtoarele:se pot obine jonciuni plane cu excepia zonelor de la marginile ferestrelor deschise n oxid, unde forma este aproximativ cilindric, pe suprafee mari
i cu geometrii diferite;pot s apar erori de localizare datorit efectelor laterale erorile de localizare se pot evita printr-o dimensionare "contractat";n aceeai zon se pot realiza succesiv mai multe jonciuni;

Obinerea unei jonciuni. Efectul difuziei laterale

*

Implantarea ionic

Implantarea ionic reprezint procesul de introducere a atomilor de impuritate ntr-un material semiconductor de baz prin bombardarea acestuia cu un fascicol nefocalizat de ioni cu energie ridicat (de ordin keV...sute keV). Implantarea ionic nu este un proces termic care de multe ori duce la efecte secundare i din aceasta rezult o serie de avantaje. De asemenea, la implantarea ionic concentraia de impuriti nu depinde de materialul n care se face implantul, ci numai de caracteristicile ionilor, de natura acestora i de energia aplicat. n tehnologia planar, implantarea ionic poate fi folosit pentru introducerea unei anumite cantiti de impuritate n semiconductor, fie pentru a realiza un anumit profil al concentraiei. Operaia este folosit pentru doparea plachetelor semiconductoare n timpul fabricrii dispozitivelor electronice (crearea zonelor de surs i drena la tranzistoarele MOS, a bazei i emitorului tranzistoarelor bipolare, etc...).

*

Atomii dopani sunt de obicei: B, P, As, In, etc... Pentru accelerarea atomilor ionizai se folosesc energii cuprinse n gama 3 keV pn la 500 keV. Adncimea medie de ptrundere poate fi cuprins ntre 100 i 1 \xm, aceasta depinznd de:natura materialului n care se face implantarea;de natura ionilor dopani;de energia de accelerare.

*

Tehnologia implantrii ionice

Instalaia de implantare ionic conine o surs de ioni care sunt accelerai electrostatic spre un separator magnetic dup care, printr-un sistem de corecie i deflexie sunt dirijai spre suprafaa intei.

*

n zona intei se afl materialul semiconductor a crui geometrie de impurificat se ajusteaz prin intermediul mtii de metal sau de stratul de oxid care trebuie s fie suficient de gros pentru a opri ionii. Procesul de implantare se realizeaz n vid. In momentul ptrunderii ionilor n reeaua cristalin a materialului aflat n int succesiunea proceselor care au loc este urmtoarea:ciocnirea ionilor cu nodurile reelei cristaline a materialului prin care se produc defecte structurale i perturbarea simetriei din vecintatea traiectoriei;interaciunea cu electronii aflai pe traseu (cedare de energie) fr a-i modifica traiectoria;modificarea traiectoriei ionilor la ciocnirea cu nucleele din nodurile reelei cristaline.

*

Modelul implantrii ionice

Distribuia spaial a ionilor implantai depinde de muli parametri care uneori sunt greu de controlat:starea suprafeei intei;temperatura intei;doza de iradiere;orientarea fascicolului de ioni n raport cu cristalul.

*

Distana pe care o parcurge ionul n interiorul materialului semiconductor (int) pn la oprire poart denumirea de parcurs. Parcursul total este format din mai multe poriuni aproximativ liniare. Vectorul care unete punctul de inciden cu punctul n care se oprete ionul poart numele de vector de parcurs R. Matematic valoarea vectorului de parcurs R rezult prin nsumarea traiectoriilor pariale:

*

Proiecia vectorului R pe direcia fascicolului incident poart denumirea de vectorul parcursului nominal i se noteaz cu RP. Distribuia spaial a atomilor de impuriti poart numele de profil de frnare sau profil de implantare.

*

Profilul de implantare poate fi mprit n trei regiuni:regiunea din apropierea suprafeei intei (regiunea I), zon care cuprinde particule care nu "simt" -structura reelei cristaline i au o distribuie asemntoare cu cea din materialele amorfe;regiunea ce urmeaz (regiunea a-II-a) conine particule care au suferit abateri de la traiectoria de baz (particule decanalizate);regiunea a-III-a cuprinde particule decanalizate pn la momentul opriri lor n structur.

*

Problema important la implantarea ionic const n calcularea sau determinarea experimental a parametrului vector de parcurs RP n funcie de energia de accelerare a ionilor. Pentru calculul adncimii maxim de ptrundere a particulelor canalizate Rmax [pm] se folosete o relaie utilizat la calculul jonciunilor realizate prin implantare ionic:

*

La implantarea ionic prezint interes nu numai parcursul ionilor, ci i distribuia parcursurilor, adic abaterea parcursurilor de la valoarea medie. Dac nu exist fore care s dirijeze ionii n direcii prefereniale, atunci se poate presupune o distribuie dup curba de probabilitate dat de Gauss.

*

Particulariti ale implantrii ionice

Proprietile electrice ale straturilor dopate prin implantare sunt determinate de poziia impuritilor n reeaua cristalin. Spre deosebire de celelalte metode de impurificare, n care poziia impuritilor este determinat de echilibrul termodinamic, la implantarea ionic are loc un proces de neechilibru ntre atomii aflai n nodurile reelei i cei aflai n interstiii. Dac dup implantare se realizeaz un tratament termic la temperaturi din ce n ce mai ridicate, atunci crete gradul de ocupare de ctre impuriti a nodurilor reelei cristaline.Defectele de structur care se obin pentru aceeai energie a ionilor incideni crete odat cu masa ionilor.Un parametru important care afecteaz distribuia i concentraia defectelor este temperatura intei. Numrul defectelor scade n anumite limite prin creterea temperaturii sursei.

*

Dintre caracteristicile straturilor implantate ionic se pot meniona:localizarea cu o bun rezoluie a zonelor dopate, lucru ce permite obinerea unei densiti mari de integrare;adncimea de ptrundere a impuritilor implantate este mai mic dect n cazul difuziei;se reduc efectele secundare ce pot aprea la procesele termice care nsoesc alte metode de impurificare (difuzia, epitaxia, alierera);profilul implantrilor realizate prezint un maxim pronunat n zona central i fronturi rapid cztoare.

*

Implantarea ionic se poate utiliza la:realizarea unor dopri foarte reduse pentru obinerea de rezistene cu valori nominale mari din structura circuitelor integrate;doparea unor straturi subiri (de ordinul 0,1 um) pentru tranzistoarele de nalt frecven.Doparea semiconductorilor prin implantare ionic este o tehnologie scump i complex, motiv pentru care se utilizeaz numai n aplicaii mai speciale.

*

Proprietile electrice ale straturilor implantate sunt caracterizate cu ajutorul urmtorilor parametri:rezistivitatea de suprafa s (conductivitatea de suprafa s);concentraia purttorilor de sarcin de la suprafa Ns;mobilitatea efectiv ef a purttorilor de sarcin,distribuia concentraiei purttorilor de sarcin i a mobilitii de
adncime {N(x) i (x)).

*

Obinerea jonciunilor

Adncimea de ptrundere xj a jonciunilor realizate prin implantare ionic este determinat de o multitudine de factori mai mult sau mai puin controlabili. n practic pe baza experimentelor se deduc relaii semiempirice, pe baza crora se pot aprecia suficient de precis adncimile de ptrundere n condiii date. Aceast tehnic permite controlul precis al cantitii totale de atomi implantai (a dozei de implantare) i a profilului concentraiei de dopant ce se realizeaz n substrat. Acest grad ridicat de precizie permite, spre exemplu, ajustarea fin a ctigului unui tranzistor bipolar sau ajustarea exact a tensiunii de prag a unui tranzistor MOS (sau stabilirea tipului de tranzistor MOS cu mbogire sau cu srcire).

*

Localizarea doprilor obinute prin implantare ionic se poate face la fel ca n cazul difuziei, dar grosimea mtii de oxid trebuie s fie suficient de mare, pentru ca la energiile uzuale ale ionilor incideni, aceasta s nu poat fi traversat. Alt procedeu de localizare const n utilizarea mtilor metalice care se interpun pe traiectoria dintre fascicolul incident i int.

*