Оглавление
1.Введение.
2.Общие сведения о диффузии по границам зерен.
3.Краткое рассмотрение метода теоретического расчета
диффузиидля случая В по классификации Фишера.
4.Общие сведения об определение профиля концентрации
методомрадиоактивных индикаторов.
5.Метод удаления микрослоев путем распыления Ar.
(сописанием установки.)
6.Данные (практические) исследования профилей концентрации
методомрадиоактивных индикаторов.
7.Список литературы.
8.Оглавление.
Вданной работе кратко рассмотрена механическая диффузия
вслоях тонких пленок. Приведена основная классификация
диффузиив тонких пленках ( по Фишеру ). Кратко рассмотрен
математическийвывод нахождения концентрации
диффундирующихвеществ в случае В по Фишеру. Приведен
практическийметод исследования профилей концентрации на
конкретнойустановке и также приведен профиль диффузии 195Au
вполикристаллическом образце Au.
1. ВВЕДЕНИЕ.
Тонкиепленки играют очень важную роль в современной технике.
Особенноуспешно они применяются в быстро развивающейся
технологииинтегральных схем. Они служат также основными
элементамив столь различных областях техники, как устройства
дляпреобразования солнечной энергии в электрическую энергию ,
исверхпроводниковые приборы. Важное требование к
тонкопленочнымструктурам в этих применениях состоит в том ,
чтобыони сохраняли свое строение. В структурах на основе
массивныхобъектов или толстых слоев взаимодиффузию и реакции
нарасстояние ~ 100А обычно можно не принимать во внимание .
Вслучае же тонкопленочных структур могут протекать резко
выраженныереакции даже при комнатной температуре. Причем
тольконедавно были созданы экспериментальные методы ,
позволяющиеизучать эффекты переноса вещества в столь малых
пространственныхмасштабах. Основная цель доклада рассмотреть
диффузионныеявления в тонких пленках, а также современные
методыих исследования. Основные трудности анализа возникают ,
когдатолщина пленки лежит в интервале от ~ 10 до нескольких
микрометров.
Совершенноочевидно, что исследование реакций в тонких пленках
побольшей части стимулируются требованиями технологии.
Этитребования могут возрастать по мере усиления ограничений ,
накладываемыхна материал и размер пленок. В самом деле в
областиинтегральных схем мы подходим к рубежу, когда пленки
посвоим размерам будут близки к атомным расстояниям.
Общие сведения о диффузии по границам зерен .
Поддиффузией по ГЗ буквально можно понимать движение
атомов,происходящие в области границы раздела между двумя
зернами.
Втеории диффузии многие исследователи считают эту область, в
которойскорость диффузии велика почти двухмерной, с границей
порядкамежатомного расстояния. Однако в более широком смысле
диффузиипо ГЗ – это такой процесс, когда диффузия по границам
происходитсовместно с решеточной диффузией. Диффузия по
кристаллическойрешетке необходима для определения
экспериментальногопрофиля концентрации при исследование ГЗ-
диффузии. Дело в том, что число атомов диффузианта ,
находящегосянепосредственно на ГЗ, обычно очень мало и его
невозможнообнаружить, а потому измеряется концентрация таких
атомов, диффундирующих по кристаллической решетке от границы
вобъем зерен.
Степеньвлияния диффузии по кристаллической решетке на
движениевещества вдоль ГЗ определяется режимом кинетики ,
которыйпреобладает в данных условиях. Следуя Харрисону, мы
будемразличать три типа кинетики: А, В, С. Отличительной
особенностьюкинетики типа А является сильная диффузия по
кристаллическойрешетке, которая приводит к перекрыванию
диффузионныхполей соседних зерен. Границы зерен показаны как
вертикальныеполоски, отстоящие друг от друга на расстояние 2L .
Врасчетах боковой диффузионный поток Ix принимаютравным
нулюпосредине между границами при x=L. В случае В: ГЗ считают
изолированнымии боковой поток принимают равным нулю уже на
сравнительномалых расстояниях от границ. В случае кинетики типа
Сдиффузия по кристаллической решетке совсем незначительна и
движениеатомов происходит только внутри самих ГЗ. При
измерениеГЗ-диффузии в массивных образцах всегда исходят из
кинетикитипа В. Эксперименты по определению профилей
концентрацийв массивных образцах пока дали мало прямых
указанийна существование кинетики типа А и С. С этой точки
зрениябольшой интерес представляют исследования диффузии в
тонкихпленках, поскольку очень большая плотность дефектов
позволяетнаблюдать в них при условие определенного типа отжига
любойиз трех типов кинетики .
Рис 1.
Кратко рассмотрим метод теоретического расчета
диффузии для кинетики типа В .
Вданном случае имеем конечный образец типа В. Давно
установлено, что скорость диффузии в тонких пленках выше, чем в
массивныхобразцах. Увеличение скорости диффузии обусловлено
двумяочевидными причинами: уменьшением длины диффузии ,
увеличениемплотности путей пролегающих по ГЗ. Будем
рассматриватьслучай диффузии очень малых примесей в тонких
пленках, состоящих из столбчатых зерен .
Общееуравнение диффузии имеет такой вид :
Сl– концентрация в кристаллической решетке.
Сb– концентрация в границе зерна.
С1– концентрация в кристаллической решетке, обусловленная
обычнойплоской диффузией по решетке .
С2– концентрация в решетке, обусловленная диффузией из ГЗ .
Сl= C1+C2/d
D– коофициент диффузии .
Внашем случае можно дать такое описание модели .
Ä - здесь и далееоператор Набла
ä - здесь и далее знакдифференциала
Dl * Ä2 * Cl =
äCl
ät
- вне границы зерна
Db * Ä2 * Cb =
äCb
ät
- внутри зерна
äCl
äy
yl = 0-условие полного отражения примеси
от тыльной стороныповерхности пленки
C(x,0,t)= C0
*
äC(x,l,t)
äy
= 0
C1 = 1
4
ð
1
∞
m
1
2.m1
sinì(2 m 1)
. expì2 m 1
. 2
=
.
C2
2C 0
ë0 1
Ä
. 1dö
1
∞
m
sinì2 m 1.ë
=
= .
(ì)2 m 1
2.ö. 1 ì2 m 1
. erfc
1
2
sqrt
Ä 1
Äö
..î
ö 1
k.â
.
Величина ë0 определяетсявыражением
ë0
1
= sqrtD l.t , а величина
ì2 m 1
(2m 1).ð
2ë0
= .
Усредненнаяпо сечению отдельного зерна концентрация
диффундирующеговещества, которую в дальнейшем для
краткостибудем называть интегралом по сечению, дается
выражением:
*
Экспериментальноизмеряемый профиль, определяется суммой
величин
всилу уравнения :
Теоретическийпрофиль концентрации дан ниже на рисунке :
1
d
.C2
8.sqrtD l.t.C 0
dë 0
.
1
Ä
. 1dö
1
∞
m
sinì2 m 1.ë
=
= .
expsqr ì2 m 1.ö sqrt
Äö
Ä 1
. expx2
sqrt(ð)
. x.erfc(x)ì2 m 1
.
C1 C 2
Cl C 1
C2
d
=
Рис 2 .
Общие сведения о определение профиля
концентрации методом радиоактивных
индикаторов .
Однаиз методик исследования ГЗ диффузии основана на
определениепрофиля концентрации диффузианта методом
радиоактивныхиндикаторов. Такой метод позволяет с высокой
точностьюпрямым путем измерять истинное распределение
диффундирующеговещества обычно не превышает 1 мкм, и
следовательно, химический состав и степень чистоты остаются
неизменнымис точностью до 10-4 % .
Приизмерение профиля концентрации радиоактивного изотопа
впленках, требуется снимать слои толщиной менее 1 мкм ,
посколькутолщина всей пленки измеряется микрометрами, а
глубинадиффузии еще меньше. Значит чисто-механические
средстваздесь невозможны. Поэтому используют метод
электрохимическогопослойного травления и метод удаления
микрослоевпутем распыления ионами. Рассмотрим второй
метод.
Метод удаления микрослоев путем
распыления ионами Ar .
Установкадля удаления микрослоев путем распыления
ионамиAr в плазме ВЧ-разряда была разработана в лаборатории
фирмыIBM, а затем такие установки применялись в целом ряде
различныхситуаций. Схема установки представлена на рисунке
ниже.Камера с образцом, подвергшемся диффузии, откачивается
додавления 10-7 мм.рт.ст.Последовательное удаление слоев
исследуемогообразца, параллельных плоскости диффузии ,
достигаетсяза счет распыления вещества ионами Ar в плазме ВЧ-
разряда, возникающего при подаче на образец ВЧ напряжения с
двойнойамплитудой 1000В и частотой 13.56 МГц. Чтобы
уменьшитьориентированно-зависимое распыление и
преимущественноетравление зерен, эффективную мощность
разрядаподдерживают так, чтобы она не превышала ~ 0.4 Вт.
на1 см2 площади катода. Распыляемое веществообразца осаждают
накруглых алюминиевых пластинках. Для ускорения процедуры
предусматриваютсяповоротные многоанодные держатели, которые
позволяютза одну откачку камеры снять шесть последовательных
слоев. Главное условие ровного удаления вещества – это
стабильностьисточника ВЧ-мощности и газового потока Ar.Для
этогоВЧ-напряжение стабилизируют с точностью до 1% при
помощиэлектронного стабилизатора, а давление Ar поддерживают
науровне 20( +-1 )*10-4 мм.рт.ст. припомощи регулятора с
претензионнымнатекателем. Очень важное значение имеет также
контрольза геометрией образца в процессе распыления .
Длябольшинства металлов достигается скорость распыления ~
1A*c-1. Следовательно, изменением длительности распыления
одногослоя от 30 сек. до нескольких минут, можно с высокой
точностьюизмерять профиль концентрации радиактивного изотопа
шагамипо 30 A. Толщина слоев определяется путем
последовательноговзвешивания на весах. По полному уменьшению
массыобразца между откачками камеры вычисляют глубину
проникновениядиффузианта .
Важнойособенностью описанной установки для ионного
распыленияявляется то, что на ней можно наносить на
исследуемыйобразец радиактивный изотоп. При этом можно
предварительноочистить поверхность образца, особенно
отокисной пленки, а затем не подогревая и не нарушая вакуума
нанестина него радиоактивный изотоп .
Приэтом нужно предварительно очистить образец и нанести на него
изотопне нарушая вакуума .
Схематакой установки приведена на рисунке 3 .
Рис3. Установка для удаления микрослоев тонких пленок
путемраспыления ионами Аr .
Данные исследования профилей концентрации
методом радиоактивных индикаторов .
Нарисунке представлены типичные профили диффузии
радиактивногоизотопа в поликристаллическом образце Au .
Этотобразец содержит зерна с большеугловыми ГЗ и малые зерна с
диаметром~ 5мкм. с малоугловыми границами.Следовательно ,
рассмотрениерадиактивного изотопа в этом случае должно
определятьсясначала диффузией по кристаллической решетке, а
затемдиффузией по субзернам и потом ГЗ-диффузией. Эти области
обозначенына рисунке как 1, 11, 111.
Еслив условиях эксперимента диффузионная длина окажется
значительноменьше диаметров зерен и субзерен, и в таких
условиях, что реализуется кинетика В, то оказывается возможным
вычислитькоэффициенты диффузии по всем трем процессам .
Длинадиффузии по кристаллической решетке поддерживается в
этихэкспериментах в интервале от 100А до 1000А. Эти значения
намногоменьше диаметра субзерен ( ~ 5 мкм. ). Кроме того ,
условиемотжига обеспечивалось существенное отличие
диффузионныхдлин в субзернах и ГЗ от диффузионной длины в
решетке. Благодаря этому профиль диффузии можно путем
подгонкикривых разделить на три участка, на которых
концентрацияизменяется как y2 , y6/5– где y глубина. Выбор
степенив каждом случае определяется гауссовой формой профиля
диффузиирадиоактивных атомов в кристаллической решетке, и
формойрешения Уипла-Сузуки, описывающих перенос вещества .
Такимобразом, профили в поликристаллических массивных
образцахAu описывается выражением :
ГдеС – концентрация атомов на расстояние у от поверхности
истока, а p, m, n и P, M, N – коэффициенты экспоненциальных
зависимостей. Коэффициентом Р определяется величина Dl
(P=1/4Dlt ), а коэффициенты М и N в соответствие срешением
Уипла-Сузуокидля долгого по времени источника определяются
коэффициентыдиффузии по ГЗ или по субзернам .
Прибольших b в числе веществе коэффициент диффузии по
дефектамопределяется формулой :
C= p⋅ exp(−P⋅ y2) mexp −M y
6
⋅5
+ ⋅n exp −N y
6
⋅5
+ ⋅
Здесьиндекс b соответствует коэффициенту диффузии либо по
субзернам, либо по ГЗ в зависимости от того, какая величина, M
илиN, определяется вторым членом в выражении предыдущем .
Всеэти формулы справедливы для кинетики типа В .
0.661
älnCb
äy
6
5
− 5
3
⋅4
Dl
t
1
2
äDb = ⋅
Список литературы :
1Дж. Поут.
Тонкиепленки.Взаимная диффузия и реакции .
2К. Л. Чопра.
Электрическиеявления в тонких пленках .
3В. М. Глазов .
Технологияинтегральных микросхем.
4.А. С. Палатин .
Основыпленочного полупроводникового материаловедения .
6.
Поверхность. ( журнал 1,9,12-1998, 7-1995)
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ
ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ .
( технический университет )
Факультет Электроники .
КУРСОВАЯ РАБОТА.
ТЕМА :
“ Диффузионныепроцессы в тонких слоях
пленок при изготовлении Б.И.С. методом
толстопленочной технологии .”
Студент: Бычковский Я.С.
Преподаватель: Мухин А.А.
2001__