Устройства функциональной электроники (стр. 4 из 7)

Таким образом, анализ роста пленки сводится к выявлению преобладающей стадии роста в тех или иных задаваемых условиях. Для случая, когда преобладает скорость поверхностной диффузии х₆, а скоростью диффузии вдоль ступеньки х₄ можно пренебречь, уравнение диффузии для адсорбированных атомов примет вид

Где D_S — коэффициент поверхностной диффузии; х — координата движения частицы.

Выражение (3.30) является кинетическим уравнением роста пленок.

Анализ роста монокристаллических (эпитаксиальных) пленок позволяет выявить кроме первичных дефектов структуры, вызванных условиями зарождения, и вторичные дефекты, появляющиеся в процессе роста,— дислокационные петли, дефекты упаковки и точечные дефекты. Часто встречающимися дефектами в пленках являются дислокации. Концентрация дефектов условно характеризуется плотностьюдислокации, измеряемой их числом на 1 см². Эта величина в эпитаксиальных пленках металлов достигает нередко значений 10¹⁰—10¹¹ см^-2. В полупроводниковых эпитаксиальных пленках, используемых в производстве ИМС, плотность дислокаций составляет 10—10⁴ см^-2.

Причины появления дислокаций различны. Пленки формируются в процессе осаждения. Ранее осажденные слои могут покрываться последующими до того, как будет достигнуто термическое равновесие с предыдущим слоем. При этом в слой может попадать большое число вакансий. Процесс усугубляется, если температура пластин низкая. В этом случае тепловой энергии (конденсации) может не хватить для того, чтобы обеспечить миграцию атомов по поверхности. Поэтому атомы будут оставаться в тех местах, куда они попали при соударении с поверхностью. Поскольку их распределение носит случайный характер, они будут вносить разупорядоченность в структуру осаждаемой пленки. Степень разупорядоченности зависит от наличия примесей в пленке и на ее поверхности, а также от неоднородных поверхностных свойств предыдущего слоя, низкой температуры конденсации и т. п.

4. Химический рост эпитаксиальных пленок

В предыдущих параграфах были рассмотрены процессы образования и роста пленок при испарении и конденсации согласно термодинамической теории Гиббса — Фольмера, справедливой для степени перенасыщения, не превышающей 10⁸. При испарении тугоплавких металлов (W, Mo, Re, V) степень перенасыщения достигает значений 10³⁰—10⁴⁰; размеры критических зародышей, рассчитанные по уравнению (3.6), соответствуют размерам одного атома и меньше, что противоречит физическому смыслу. Аналогичная ситуация возникает и при осаждении слоев химическими способами из газовой фазы, где степень перенасыщения составляет 10²⁰—10⁴⁰. В этом случае единственно приемлемой теорией для анализа роста пленок является кинетическая теория Френкеля — Родина.

Пока не существует достаточно разработанной теории образования и роста эпитаксиальных слоев. Излагаемая теория Френкеля— Родина устанавливает лишь ряд важных закономерностей, часто подтверждаемых экспериментально.

В1924 г. советский ученый Я. И. Френкель ввел понятие двумерного пара (газа). В соответствии с этим понятием атомы, попавшие на поверхность твердого тела из объема паровой или газовой фазы, адсорбируются этой поверхностью и удерживаются на ней в течение времени:

где ф₀ = 10^-13 с —время, соответствующее дебаевской частоте; ДG_адс — свободная энергия адсорбции атома; Т — температура поверхности.

Частицы двумерного пара, мигрируя по поверхности, сталкиваются друг с другом, образуя агрегаты из двух, трех и т. д. атомов. Простейшим агрегатом является двойник (i = 2), показанный на рис. 3.8, a, с энергией межатомной связи Е₁₁ и энергией связи с поверхностью 2E₁₂. Поскольку двухатомные агрегаты вдвое сильнее связаны с поверхностью, чем одиночные атомы, они и менее подвижны. Для испарения двойника нужна энергия 2E₁₂, а одного атома Е₁₂. При осаждении металлов и полупроводников на диэлектрические пластины Е₁₁>Е₁₂; процесс испарения двойника менее вероятен, чем одного атома, что соответствует образованию зародыша конденсированной фазы. При увеличении агрегата (i= 3, 4,..., п) вероятность образования зародышей увеличивается.

При очень большом перенасыщении газовой фазы критический зародыш может состоять из одного атома. Поэтому, когда возникает агрегат из двух атомов, более вероятно, что он будет расти, а. не распадаться. Снижение перенасыщения приводит к тому, что вероятность присоединения к одному атому другого становится равна вероятности распада агрегата. В таком случае стабильными станут конфигурации с двумя связями на атом. При дальнейшем, снижении перенасыщения стабильными становятся агрегаты из трех, четырех и т. д. атомов (рис. 3.8, а—г). Стабильными образованиями являются треугольник и квадрат. В первом случае зародыш имеет ориентацию <111>, во втором — <100>. Таким образом, степень перенасыщения должна сказываться на ориентации стабильных зародышей.

Зависимость скорости х_K образования зародышей (конденсации) из потока I частиц, попадающих на пластину, от температуры пластины Т может быть описана следующими уравнениями:

где п_адс — число единичных адсорбированных атомов; v — частота колебания адсорбированного атома; ДG_i, ДG_i+1 — свободные энергии образования зародыша в результате межатомного взаимодействия (аналог ДG_к.п при эпитаксии).

Поскольку iневелико, можно методом проб и ошибок установить, какое значение i(1, 2, 3,...) отвечает экспериментальным данным.

Процессы образования эпитаксиальных слоев во многом определяют характер их роста и, следовательно, степень кристаллического совершенства полученной структуры. При значительной разориентации отдельных зародышей слой будет иметь большое число дефектов и может стать неприемлемым для изготовления ИМС.

Наибольшее распространение в промышленной практике получили процессы эпитаксии полупроводников из газовой фазы с помощью химических реакций.

Развитие методов эпитаксии, особенно гетероэпитаксии (выращивания пленки одного материала на подложке другого), позволяет получать приборы с такими высокими электрическими характеристиками, которые трудно реализовать другими технологическими методами.

Глава 2. Физико-химические основы поверхностных процессов

1. Термодинамика поверхностных процессов

Свойства поверхности раздела отдельных слоев структуры или конструкции функциональных узлов, состоящих из металлов, диэлектриков, полупроводников, композиционных материалов, важны при формировании практически всех элементов и компонентов РЭА. Они зависят от сложных комплексных характеристик поверхностей раздела на атомарном и субатомарном уровнях, а также взаимодействия этих поверхностей с полями (электрическими, электромагнитными) и излучениями (электромагнитными, оптическими, атомными и субатомными). Изменение характеристик поверхности раздела под действием внешних и внутренних факторов приводит к необратимым изменениям параметров качества изделий РЭА. Характеристики поверхностных и приповерхностных слоев влияют на все эксплуатационные параметры РЭА.

Знания физико-химических свойств поверхностей твердых тел хотя и расширились в последнее десятилетие, однако еще недостаточны для установления количественных взаимосвязей параметров качества изделий и технологических факторов. Эти взаимосвязи важны для выбора оптимальных технологических решений при обработке, эксплуатации и сохранения свойств поверхностных и приповерхностных слоев в РЭА.

Любое технологическое воздействие среды на материал или изделие, как правило, начинается с взаимодействия частиц этой среды с поверхностью материала (изделия). Для большинства ТП производства РЭА необходимо знать механизм такого взаимодействия не только при формировании (зарождении, росте, травлении), но и при эксплуатации слоев. Это требует от технологов тщательного изучения явлений и процессов, которые могут протекать на поверхности при различных условиях (технологических факторах).

Термодинамика поверхностных явлений рассматривает состояния поверхностных атомов, отличающихся от состояния атомов, расположенных во внутренних слоях вещества. Причиной этого различия является неодинаковое взаимодействие атомов твердого тела с окружающими частицами. Поэтому свойства поверхностного слоя вещества отличаются от свойств его внутренних слоев. Следовательно, необходимо различать поверхностные и объемные свойства вещества. Чем больше отношение площади поверхности твердого тела к его объему, тем сильнее сказывается влияние поверхностных свойств на общие. Поверхностные свойства веществ проявляются на любой поверхности раздела фаз: твердое тело — газ, твердое тело — твердое тело, жидкость — пар, жидкость — жидкость.

Термодинамические параметры поверхности определяются природой материала и его физическим состоянием, которое характеризуется полной поверхностной энергией. Часть этой энергии, равная максимальной полезной работе, затрачиваемой на создание поверхности, является удельной поверхностной энергией Гиббса и называется поверхностным натяжением у_S.