Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

ние 5. Анодный вывод 2 контактирует с кристаллом полупроводни­ ка таким образом, чтобы обрабатываемый р -п -переход (на рисун­

ке— коллекторный) был смещен в прямом направлении. Тогда на катоде 3 осаждаются протоны и выделяется водород, а на кристал­

ле полупроводника происходит окисление поверхности под действи­ ем приходящих сюда ионов гидроксила. Процесс роста пленки Si02 ускоряется при повышении тока, чему, очевидно, способствует уменьшение удельного сопротивления воды. Но уменьшение сопро­ тивления обязано присутствию диссоциированных примесей, кото­ рые неблагоприятно сказываются на защитных свойствах пленки. Деионизованная вода (с q=1—2 м о я - с м ) , хотя и способствует

созданию высококачественного оксидного покрытия, но практиче-

Рис. 9.4. Схема устройства для анодного оксиди­ рования в дистиллированной воде

ски сводит до нуля скорость роста окисной пленки. Поэтому прак­ тически используют воду с удельным сопротивлением 200—

500 к о м -см.

Выделяющийся при образовании двуокиси газ адсорбируется в виде небольших пузырьков на поверхности кристалла, что затруд­ няет равномерный рост пленки. Для удаления газовых пузырьков служит сопло 6 , через которое производится обдув кристалла азо­

том или аргоном. Таким же образом можно вводить в сопло и элек­ тролит (с помощью насоса).

Получение защитной пленки на поверхности полупроводниково­ го кристалла методом анодирования можно проводить в электроли­ те, состоящем из борной кислоты, гликоля и водного раствора ам­ миака. При прохождении через полупроводниковый кристалл постоянного тока величиной 1—50 м а в течение 1,5 ч на поверх­

ности кристалла образуется изолирующий слой окиси. После анод­ ной обработки кристаллы промывают в деионизованной воде и су­ шат в потоке горячего воздуха.

270

Анодное окисление в электролите, состоящем из насыщенного раствора нитрата калия в W-метильном ацетамиде, проводят при комнатной температуре и постоянном токе 5— 8 м а .

§9.9. Защита пленками нитрида кремния

Срасширением планарной технологии потребовалось повыше­ ние стабильности электрических параметров планарных приборов, особенно обратного тока р-п-перехода. Установлено, что нестабиль­ ность электрических параметров планарных структур вызвана дрейфом ионов щелочных металлов как внутри, так и на поверх­

ности окисла, используемого в качестве маски при диффузии и для

защиты.

Ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия, обладают сравнительно большой подвижностью (для Na+ при 7’=200°С |я=ю-12 см2■в ~ '■сек~1) и при повышенных температурах дрейфуют

в электрическом поле, изменяя поверхностный потенциал.

Одним из способов повышения стабильности планарных прибо­ ров является выращивание поверх слоя двуокиси кремния фосфор­ носиликатного стекла, описанного ранее. Фосфорносиликатное стекло, по-видимому, геттерирует и связывает ионы натрия, препят­ ствуя их миграции.

Другим способом, позволяющим существенно улучшить ста­ бильность планарных приборов, является применение в качестве маски при диффузии пассивации поверхности р-п-переходов и элек­ трической изоляции пленки нитрида кремния Si3N4 вместо двуоки­ си кремния (или в дополнение к ней).

Пленка нитрида кремния более прочна и более непроницаема по отношению к используемым диффузантам, чем пленка SiC>2. По­ этому Si3N4 получают в виде более тонких слоев. В процессе фото­ литографии на более тонких пленках можно получить и меньшие размеры элементов изображений, вытравливаемые в пленке. Плен­ ки нитрида кремния можно выращивать во много раз быстрее, чем пленки двуокиси кремния, и при более низких температурах. Толщина пленок Si3N4 может изменяться от нескольких десятков

Известны различные методы получения защитных пленок нитри­ да кремния.

Ре а к ц и я взаимодействия Si с N2. Для осуществления реакции

нитрирования кремния необходима температура порядка 1100— 1300°С. Реакция протекает по формуле

3Si + 2Na - SI3N4

Обычно этой реакцией пользуются для получения нитрида крем­ ния как тугоплавкого материала. В данной реакции чистый азот может быть заменен аммиаком, который диссоциирует при высокой

271

температуре и взаимодействует с кремнием легче, чем молекуляр­ ный азот. Режим получения пленок этим методом следующий: ско­ рость пропускания азота по трубе установки 300 см3[м и н , темпера­ тура 1100—1300°С. Для получения пленки толщиной 0,2 м км при этом необходимо 24 ч. Из-за высоких температур метод не нахо­

дит применения.

Ре а к ц и я взаимодействия SiN4 с NH3. Для выращивания пленок

нитрида кремния в газовой среде производят азотирование силана аммиаком в кварцевой трубе при температурах 700—1100°С. В тру­ бу в потоке водорода с расходом 4 л/мин подаются пары силана

и аммиак, соотношение которых выбирается равным 1 :20. Избы­ ток водорода препятствует преждевременному разложению силана (температура его разложения 500°С). В результате взаимодей­ ствия силана и аммиака на кремние­

вой подложке образуется пленка нит­ рида

3S1H, + 4NH, - SiaN, + 12Н,

На рис. 9.5 показана зависимость скорости роста пленки Si3N4 от концентрации силана в реагирующей смеси при температуре 850° С. На рис. 9.6 приведена зависимость скорости роста пленки от температуры. Уменьшение скорости роста с увеличением темпе­ ратуры свыше 1000°С обусловлено недостаточным количеством си­ лана вблизи подложки вследствие его интенсивного разложения. Обычно пленки Si3N4 имеют аморфную структуру, однако в плен­ ках, выращенных при 1100°С, наблюдаются отдельные кристалли­ ческие образования.

Р е а к ц и я взаимодействия SiCl4 с NH3. При выращивании пле­

нок Si3N4 аммонолизом SiCl4 протекают следующие реакции. На начальной стадии образуется диимид кремния:

272

- f

SiCl4 + 6 NH3 - Si (NH) 2 + 4 NH4CI

При комнатной температуре эта реакция дальше не идет, но происходит полимеризация диимида. При нагреве подложки про­ текает реакция

- 3 [Si2 (NH) N ^ f 0^ - 2 a Si3N4

В результате образуются кристаллиты нитрида кремния а-мо- дификации. При температуре 1100—1200°С получается полностью аморфная пленка Si3N4. В толстых пленках Si3N4 (свыше 1 мкм) возникают трещины, плотность которых растет с увеличением тол­

в реагирующей смеси.

Реакция взаимодействия SiH4 с N2H4. Вместо аммиака для по­

лучения пленок Si3N4 может быть использован гидразин N2H4. Ре­ акция этих веществ идет по следующей схеме:

SiH4 + N2H4 = Si (NH), 3H2

2Si (NH) 2 = (SiN) 2 NH + NH3

3 (SiN) 2 NH = 2 Si3N4 + NH3

При использовании аммиака температура осаждения пленок Si3N4 не может быть ниже 750°С. Применение гидразина позволяет снизить температуру до 550° С, так как гидразин разлагается при более низких температурах, чем аммиак.

Нанесение пленок проводят в кварцевой трубе, через которую пропускают водород, насыщенный гидразином. В эту смесь добав­ ляют SiH4. Концентрацию SiH4 и NgH4 можно выбирать в преде­ лах от 1: 0,5 до 1: 10. Скорость подачи газовой смеси в рабочую камеру равна 0,6 л/м ин. Перед проведением процесса гидразин под­

вергают очистке при комнатной температуре.

На рис. 9.8 показана зависимость скорости роста пленок SisN4 от температуры для двух различных концентраций гидразина. Ско­

S1H4+ NH3; S1C14 + NH3; SiH4+ N,H2

Реакти вн ое катодное распы ление. При этом методе реакция

между кремнием и азотом происходит при низкой температуре окружающей среды за счет энергии газового разряда. Нанесение защитных пленок нитрида кремния проводят в установках катод­ ного распыления при постоянном токе с холодным или горячим ка­ тодом. Качество пленок, получаемых этим методом, изменяется в зависимости от условий осаждения. Для проведения процесса ис­ пользуют катод из высокочистого кремния в виде плоской пласти­ ны большого диаметра. Этот катод подвергают распылению в смеси газов аргона и азота. Азот является реактивной добавкой, а аргон применяют для получения необходимой эффективности процесса распыления.

274