Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1. Діелектрики

1.1 Поняття та класифікація діелектриків

1.2 Поляризація діелектриків

1.3 Основні види поляризації діелектриків

1.4 Вплив зовнішніх факторів на діелектричну проникність

1.5 Електропровідність діелектриків та діелектричні втрати

1.6 Теплові властивості діелектриків

Розділ 2. Напівпровідники

2.1 Типи провідності напівпровідників

2.2 Визначальні особливості і класифікація напівпровідників

2.3 Класифікація напівпровідників

Розділ 3. Формування діелектричних плівок на поверхні напівпровідникових пластин

3.1 Принципи технології

3.2 Отримання шарів оксиду і нітриду кремнію

3.3 Термовакуумне напилення

3.4 Реактивне іонно-плазмове розпилення

3.5 Термічне окислення

3.6 Анодне окислення

3.7 Хімічне окислення

3.8 Вимоги до діелектричних плівок

Висновки

Список використаної літератури

ВСТУП

Осадження плівок широко використовується при розробці елементів сучасних інтегральних схем. Для цієї мети широко використовуються не лише напівпровідникові тонкі плівки але і діелектричні тонкі плівки.

Діелектричні плівки використовуються для ізоляції між різними шарами в мікросхемах, в якості масок при дифузії іонній імплантації, для дифузії із легованих плівок з метою запобігти втрат з них легуючих елементів і таке інше. Найбільш поширеним застосуванням діелектричних плівок є в конденсаторах, транзисторах, а також для захисних покрить.

При формуванні ізоляційних шарів використовують такі наступні хімічні сполуки і елементи:

· моноокис кремнію SiO, двоокис кремнію SiO2 ,

· моноокис германіюGeO, трьох сірчиста сурма Sb2 S3 ,

· двоокис титану TiO2 , окисел титану Ta2 O5 ,

· окисел алюмініюAl2 O3 , а також халькогенідні стекла , кварц, вуглеводні, полімери та ряд інших.

Існує ряд методів одержання тонких діелектричних плівок. Багато є також методів змішання, які бувають більш вдосконаленими.

1. ДІЕЛЕКТРИКИ

Діелектрики належать до найбільш розповсюджених матеріалів, які застосовуються в електротехнічній промисловості. Якщо раніше ці матеріали використовували тільки як електричну ізоляцію то в даний час, завдяки досягненням науки, вони одержали поширення в різних галузях електротехніки, радіоелектроніки й технічної кібернетики. У зв'язку з цим, раціональний вибір того чи іншого діелектричного матеріалу можливий тільки на підставі знань про їхні характеристики і вплив на них різних факторів. Це дозволить забезпечити надійну і стабільну роботу виробів, у яких застосовуються діелектричні матеріали.

1.1 Поняття та класифікація діелектриків

Діелемктрики (англ. dielectric) -- речовини, що погано проводять електричний струм і питомий опір яких становить 10⁸...10¹⁷Ом·см. У таких речовинах заряди не можуть пересуватися з однієї частини в іншу (зв'язані заряди). Зв'язаними зарядами є заряди, що входять в склад атомів або молекул діелектрика, заряди іонів, вкристалах з іонною ґраткою.

На практиці абсолютних діелектриків немає. Розглядання певного тіла як діелектрика залежить від постановки експерименту -- якщо заряд, що пройшов через певне тіло малий у порівнянні з зарядами, що пройшли через інше тіло в даному експерименті, то перше тіло можна вважати діелектриком. поляризація діелектрик плівка кремній

Класифікація діелектриків:

За агрегатним станом діелектрики поділяють на

· газоподібні (більшість газів);

· рідкі (гліцерин, олія, хімічно чиста вода);

· тверді (пластмаси, скло, полімерні смоли).

Основні електричні характеристики:

· Питомий електричний опір,

· Діелектрична проникність,

· Тангенс кута діелектричних втрат,

· Напруженість електричного поля за якої відбувається пробій.

1.2 Поляризація діелектриків

Основною властивістю діелектриків є здатність до поляризації під дією прикладеної напруги. Процес поляризації являє собою зміну розташування в просторі часток діелектрика, що мають електричні заряди. Елементарні диполі, що представляють зв'язані й невіддільні один від одного молекули діелектрика, позитивні й негативні заряди яких зміщені один відносно другого, характеризуються електричним моментом p:

p = q l, (1.1)

де q - заряд диполя; l - відстань між зарядами.

Під дію електричного поля диполі починають орієнтуватися в просторі і створюють сумарний момент. Такий момент, віднесений до одиниці об'єму діелектрика, називається поляризованістю діелектрика P

P = , (1.2)

де V - об'єм діелектрика

Залежність поляризованості P від напруженості електричного поля Е в діелектрику для більшості діелектриків має лінійний характер. При малих значеннях напруженості поля для ізотропних діелектриків можна записати

 , (1.3)

де - діелектрична сприйнятливість діелектрика. Вона зв'язана з відносною діелектричною проникністю діелектрика співвідношенням ;

- абсолютна діелектрична сприйнятливість чи питома поляризованість.

Особливу групу складають сегнетоелектрики, електрети, а також деякі іонні кристали, для яких зв'язок між Р і Е нелінійний і залежить від поперед-нього значення Е.

Зсув зарядів у діелектрику приводить до утворення внутрішнього поля, спрямованого протилежно зовнішньому, що може бути представлено вектором електричного зсуву D.

, (1.4)

де - електрична постійна, рівна 8,854 10^-12 Ф/м.

Перший доданок у цьому виразі пропорційний розподіленій щільності за-ряду, утвореного у вакуумі, а другий залежить від ступеня поляризації діелектрика. Відповідно до теореми Гауса для поля вектора D потік цього вектора крізь довільну замкнуту поверхню дорівнює алгебраїчній сумі зарядів, охоплюваних цією поверхнею

_{внутр .} (1.5)

Слід зазначити, що вектор D являє собою суму двох зовсім різних величин, у зв'язку з чим він не має глибокого фізичного змісту і являє собою допоміжний вектор. Однак, у багатьох випадках вектор D значно спрощує вивчення поля в діелектриках. Наведені співвідношення (1.4) і (1.5) можуть бути використані як для ізотропних, так і для анізотропних діелектриків. Розмірність вектора D та сама, що і вектора Р - Кл/м².

Використовуючи вираз (1.3) для ізотропного діелектрика, залежність вектора D від вектора Е можна подати у виді

чи . (1.6)

Кожний діелектрик з нанесеними на нього електродами, включений в електричну мережу, можна розглядати як конденсатор певної ємності. Заряд такого конденсатора Q дорівнює

Q = C U, (1.7)

де С - ємність конденсатора,

U - прикладена напруга.

1.3 Основні види поляризації діелектриків

Велика кількість різних механізмів поляризації діелектриків, що мають місце в діелектриках, можна розділити на два основних види:

- поляризації, що протікають під впливом електричного поля практично миттєво і не супроводжуються розсіюванням енергії, тобто без виділення тепла;

- поляризації, що протікають уповільнено і які супроводжуються розсію-ванням енергії в діелектрику, тобто нагріванням. Такий вид поляризації нази-вається релаксаційною.

До першого виду відносяться електронна й іонна поляризації. Інші механізми поляризації слід віднести до релаксаційних.

Електронна поляризація - це зсув орбіт електронів щодо атомних ядер. Даний механізм поляризації спостерігається у всіх діелектриків незалежно від наявності в них інших видів поляризації. При переміщенні діелектрика в зовнішнє електричне поле електронна поляризація встановлюється за час порядку 10-15с. При підвищенні температури діелектрика у зв'язку з тепловим розширенням речовини і зменшенням числа часток в одиниці об'єму електронна поляризація зменшується. Однак слід зазначити, що температура не впливає на зсув і деформацію електронних орбіт атомів і іонів.

Іонна поляризація - це зсув один щодо одного іонів, що утворюють моле-кулу. Ця поляризація протікає за час порядку 10^-13с. При підвищенні темпера-тури іонна поляризація посилюється. Причиною цього є ослаблення пружних сил, що діють між іонами внаслідок збільшення відстані між ними при тепло-вому розширенні.

Дипольна поляризація - це орієнтація дипольних молекул у полярних діелектриках під дією електричного поля. Діелектрики, що містять електричні диполі, здатні орієнтуватися в зовнішньому електричному полі, називаються полярними. Очевидно, що дана поляризація буде виявлятися тим інтенсивніше, чим більше дипольний момент даного матеріалу. Залежно від величини електричних моментів диполів, в'язкості середовища, а також інтенсивності теплового руху молекул час установлення даної поляризації складає 10^-2-10^-10с.

неорганічне скло, багато видів кераміки, кристалічні діелектрики з нещільним упакуванням часток у решітках.

1.4 Вплив зовнішніх факторів на діелектричну проникність

Одним з таких факторів є частота прикладеної напруги. У неполярних діелектриках поляризація встигає установитися за час значно менший, ніж час напівперіоду прикладеної напруги. У зв'язку з цим у цих діелектриках від частоти практично не залежить.

У полярних діелектриках при підвищенні частоти відносна діелектрична проникність спочатку також залишається незмінною, але починаючи з деякої критичної частоти, коли поляризація вже не встигає установитися за один напівперіод, зменшується .

					f

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ Гц

Рис.1.1. Залежність діелектричної проникності від частоти для полярної рідини

Значний вплив на величину відносної діелектричної проникності в поляр-них діелектриках оказує температура. При низьких температурах орієнтація дипольних молекул утруднена, тому практично не змінюється. Підвищення температури супроводжується збільшенням , оскільки при цьому полегшується орієнтація дипольних молекул. Однак при подальшому збільшенні температури внаслідок хаотичних теплових коливань молекул ступінь упорядкованості орієнтації молекул знижується , тому , пройшовши через максимум, зменшується. У неполярних діелектриках слабко залежить від температури.

Температурна залежність діелектричної проникності від температури може бути представлена виразом

ТК = (1.8)

Тут ТК - температурний коефіцієнт відносної діелектричної проникності. Даний коефіцієнт дозволяє визначити відносну зміну діелектричної проникності при зміні температури на 1^оС або 1^оК.

Значення ТК можна визначити і графічно (рис1.4.5). Для цього при визначеній температурі в точці (наприклад, А) проводять дотичну до кривої і будують на цій дотичній, як на гіпотенузі, прямокутний трикутник довільних розмірів. Відношення його катетів з урахуванням масштабів і Т , поділене на значення в точці А дорівнює ТК :

ТК = (1.9)

е_r

?е_r А

ДТ Т⁰С

Рис.1.2. Графічне визначення ТК

Таким чином, можна визначити ТК при будь-якому механізмі поляри-зації і для залежності =f (T) будь-якої форми.

1.5 Електропровідність діелектриків та діелектричні втрати

За своїм призначенням електроізоляційні матеріали не повинні пропускати електричний струм. Однак поляризаційні процеси зсуву зв'язаних зарядів у речовині обумовлюють появу поляризаційних струмів, чи струмів зсуву в діелектрику. Вони протікають до моменту встановлення рівноважного стану. При електронній і іонній поляризаціях ці струми протікають практично миттєво і приладами, як правило, не фіксуються. Струми зсуву, обумовлені різними видами релаксаційних поляризацій, називають абсорбційними струмами.

При постійній напрузі абсорбційні струми спостерігаються тільки в період включення і вимикання напруги. Під впливом змінної напруги ці струми про-тікають весь час до моменту відключення напруги.

З огляду на те, що в технічних діелектриках є вільні заряди, здатні пере-міщуватися під дією електричного поля крім абсорбційних струмів протікає також струм наскрізної електропровідності. Загальний струм у діелектрику можна представити у вигляді суми наскрізного й абсорбційного струмів. Цей струм називається струмом витоку. Залежність струму витоку через діелектрик від часу показана на рис.1.5.1.

I

i_абс

i_{ск t}

Рис.1.3. Залежність величини струму витоку через діелектрик від часу

Електропровідність твердих діелектриків обумовлена пересуванням іонів або наявністю в них вільних електронів.

Вид електропровідності можна встановити експериментально, викорис-товуючи закон Фарадея. Іонна електропровідність супроводжується переносом речовини, тобто явищем електролізу. При електронній електропровідності дане явище не спостерігається.

У діелектриках з атомними чи молекулярними ґратками електропровід-ність залежить тільки від наявності домішок. Як правило, питома провідність таких матеріалів незначна.

Більшість застосовуваних на практиці твердих діелектриків мають іонну електропровідність. Це синтетичні й органічні полімери, неорганічне скло, керамічні матеріали, кристали і т.д. Пов'язано це з тим, що енергія звільнення іонів у твердих діелектриках не перевищує 5еВ, тоді як для електронів вона більше 5еВ.

Питому провідність у твердих діелектриках можна записати у вигляді

 = nqu, (1.10)

де n - число носіїв в одиниці об'єму, м^-3 ; q - заряд носія, Кл; u - рухливість м²/(Вс).

При іонній електропровідності число дисоційованих іонів і їхня рухливість знаходяться в експонентній залежності від температури:

n_т = n exp [- W_д /(k)], (1.11)

u_т = u_max exp[ - W_пер /(k)], (1.12)

де n -загальне число електронів у 1м³; W_д - енергія дисоціації; k -теплова енер-гія; u_max гранична рухливість іона; W_пер - енергія переміщення іона.

Підставляючи n_т і u_т у рівняння для питомої провідності і об'єднавши постійні n, u_max, і q в один коефіцієнт А, одержимо

= А exp ( - b/T), (1.13)

де b = (W_д + W_пер)/ k

З цієї формули випливає, що чим більше значення енергії переміщення й енергії дисоціації, тим значніше змінюється питома провідність при зміні тем-ператури.

У зв'язку з тим, що звичайно W_д›› W_пер, температурна залежність питомої провідності визначається в основному зміною концентрації носіїв.

При напругах, близьких до значення напруги пробою, у створенні струму поряд з іонами беруть участь і електрони.

У твердих пористих діелектриках при поглинанні ними вологи питома провідність істотно підвищується, особливо в тих випадках, коли в діелектрику є домішки, легко розчинні у воді. Для зменшення вологовбирання і волого проникливості пористих діелектриків їх піддають просоченню.

Діелектричні втрати

Діелектричними втратами називають електричну потужність, що розсіюється в діелектрику в одиницю часу при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика. Втрати енергії в діелектрику спостерігаються як при змінній, так і при постійній напрузі. При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені електропровідністю. При впливі змінної напруги в діелектриках, крім наскрізної електропровідності можуть проявлятися й інші механізми перетворення електричної енергії в теплову.

Для оцінки здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат чи тангенс цього кута. Кутом діелектричних втрат називається кут, що доповнює до 90⁰ кут фазового зсуву між струмом і напругою в ємнісному ланцюзі. Чим більше потужність, що розсіюється, тим менше кут фазового зсуву і тим більше кут діелектричних утрат . У разі ідеального діелектрика вектор струму випереджає вектор напруги на 90⁰, тому кут діелектричних втрат буде дорівнювати нулю.

При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені практично тільки струмом наскрізної провідності, тому що втрати на однократну поляризацію незначні, а втрати, що виникають у результаті протікання поверхневого струму, розсіюються в навколишньому середовищі. Таким чином, діелектричні втрати, що розсіюються в об'ємі діелектрика і викликані струмом об'ємної наскрізної провідності при постійній напрузі, можна визначити за формулою:

. (1.14)

1.6 Теплові властивості діелектриків

Ці властивості характеризуються наступними параметрами: нагрівостійкістю, морозостійкістю, теплопровідністю і тепловим розширенням.

Здатність електроізоляційних матеріалів без шкоди для них як короткочасно, так і довгостроково витримувати вплив високої температури, а також різкі зміни температури називається нагрівостійкістю.

Для неорганічних матеріалів нагрівостійкість визначають по зміні їхніх електричних властивостей (. Величину нагрівостійкості оцінюють від-повідними значеннями температури, при якій відбулися ці зміни.

Нагрівостійкість органічних діелектриків можна визначати за початком механічних деформацій і зміною електричних характеристик.Одним із способів оцінки нагрівостійкості є спосіб Мартенса. Він застосовується для оцінки якості пластмас і подібних їм матеріалів.

У процесі експлуатації в діелектриках спостерігається теплове старіння - необоротне погіршення якості ізоляції при тривалому впливі підвищеної температури внаслідок повільно протікаючих хімічних процесів. Крім темпера-тури на швидкість теплового старіння можуть впливати: наявність озону чи інших хімічних реагентів, вплив електричного поля, ультрафіолетового випромінювання, механічні навантаження і т.д.

Табл. 1.1 Класи нагрівостійкості електроізоляційних матеріалів

Позна-чення класу	Температура, що характеризує клас (0С)	Основні групи електроізоляційних матеріалів, що відповідають даному класу
Y Y	90	Волокнисті матеріали з целюлози, бавовни, натурального шовку, поліамідів; полівінілхлорид, вулканізований натуральний каучук
A	105	Волокнисті матеріали, просочені олійними, олійно-смоляними та іншими лаками
E	120	Синтетичні волокна, плівки, смоли, шаруваті пластики,
B	130	Матеріали на основі слюди, азбесту і скловолокна в сполученні з органічними в'яжучими
F	155	ізоляція емальованих проводів на поліефірамідних лаках
H	180	кремнійорганічні еластомери
C	>180	Слюда, скло, кварц, азбест, фторопласт-4.

2. НАПІВПРОВІДНИКИ

Напівпровіднимк --матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури.

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох електронвольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію -- до вузькозонних. До числа напівпровідників належать багато простих речовин хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, арсен та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та інші).

Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон, чи захоплює його, його називають донорними або акцепторними. Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом ґратки вона заміщує, в яку кристалографічну площину вбудовується. Провідність напівпровідників сильно залежить від температури.

Поблизу абсолютного нуля температури напівпровідники мають властивості діелектриків.

2.1 Типи провідності напівпровідників

Напівпроводнимк n-тимпу -- напівпровідник, в якому основні носії заряду -- електрони провідності. Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й

вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності. Здебільшого легування проводиться до рівня 10¹³ -- 10¹⁹ донорів на см³. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.

Рис.2.1. Схематичне зображення кремнію із донорною домішкою фосфору

Напівпровіднимк p-тимпу -- напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи -- бор, алюміній.

Наприклад, якщо кремній легувати 3-валентним індієм, то для утворення зв'язків з кремнієм у індію не вистачає одного електрона, тобто утворюється дірка. Змінюючи концентрацію індію, можна в широких межах змінювати провідність кремнію, створюючи напівпровідник із заданими електричними властивостями.

Такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу, основними носіями заряду є дірки, а домішка індію, що утворює дірку, називається акцепторною. Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.

Рис.2.2. Р-допування кристалічної ґратки кремнію атомами алюмінію

2.2 Визначальні особливості

Напівпровідники - широкий клас речовин, що за питомою провідністю займають проміжне місце між провідниками і діелектриками: провідність металів > 105 См/м, а провідність діелектриків < 10-10См/м (за кімнатної температури). Характерною ознакою напівпровідників, що відрізняє їх від металів, є підвищення провідності , зумовлене підвищенням температури. Зазвичай підвищення (Т) експонентне і спостерігається у широкому інтервалі температур: = 0 ехр(-Eg/2kВТ), де Eg - енергія активації електронів.

Температурна залежність виникає внаслідок розриву зв'язку електронів у кристалічній решітці, так що частина електронів, пропорційна ехр(-Eg/2kВТ), стає вільними носіями заряду. Зв'язок електронів у кристалі напівпровідника може бути розірваним не тільки тепловим рухом, але й різними зовнішніми впливами: світлом, потоком швидких частинок, сильним електричним полем і т. ін. Крім різкої температурної залежності , напівпровідники відрізняються від провідників також сильною залежністю провідності від концентрації домішок та різних видів випромінювання. Саме тому для напівпровідників характерна висока чутливість електропровідності до зовнішніх впливів, а також до концентрації домішок і дефектів у кристалах, оскільки енергія активації для електронів, локалізованих поблизу домішок або дефектів, істотно менша, ніж енергія активації електронів в ідеальному кристалі напівпровідника. Можливість у широких межах керувати електропровідністю напівпровідників електричним і магнітним полями, зміною температури, уведенням домішок тощо є основою їх численних і різноманітних застосувань.

2.3 Класифікація напівпровідників

Напівпровідникові матеріали (рис. 2.3) поділяють за їх хімічним складом на неорганічні й органічні, а за структурою - на кристалічні, аморфні й рідинні напівпровідники (останні тут не розглядаються). Найбільшого практичного застосування набули неорганічні кристалічні напівпровідники, що містять кілька основних груп.

Рис.2.3. Класифікація напівпровідникових матеріалів за складом і властивостями

Моноелементні напівпровідники. У Періодичній системі елементів Менделєєва до напівпровідників належать кілька простих речовин. Найважливішу частину моноелементних напівпровідників містить IV група елементів: вуглець C (графіт і алмаз), кремній Si, германій Ge, сіре олово -Sn. Графіт за електричними властивостями близький до провідників (Eg < 0,1 еВ), а чисті природні алмази є діелектриками. Однак штучні алмази за рахунок уведених домішок набувають властивостей напівпровідників.

Найважливіші представники цієї групи - Ge і Si - мають кристалічну решітку типу алмазу. Вони утворюють між собою безперервний ряд твердих розчинів Ge- Si, які також мають напівпровідникові властивості. До моноелементних напівпровідників III групи умовно належать бор В; V групи - фосфор P, арсен As і сурма Sb; VI групи - сірка S, селен Se і телур Te і VII групи - йод J.

Напівпровідникові хімічні сполуки. Кристалічна структура багатьох напівпровідникових хімічних сполук характеризується тетраедричною координацією атомів, так само, як і решітка типу алмазу. Тому такі напівпровідникові сполуки називають алмазоподібними напівпровідниками.

Серед них найбільший науковий і практичний інтерес становлять бінарні сполуки (А^IIIВ^V,А^IIВ^VI), які натепер є найважливішими матеріалами напівпровідникової оптоелектроніки. У сучасних технологіях напівпровідників використовуються також трійні і більш складні хімічні сполуки.

Напівпровідники групи А^IIIВ^V класифікують за металоїдним елементом. Відповідно розрізняють нітриди, фосфіди, арсеніди й антимоніди. За винятком нітридів усі сполуки А^IIIВ^V кристалізуються в решітці цинкової обманки кубічного типу сфалериту. Для нітридів характерна структура гексагонального типу вюрциту. Незалежно від типу ґратки кожен атом елемента III групи міститься в тетраедричному оточенні чотирьох атомів елемента V групи і навпаки. Структура сфалериту, на відміну від структури алмазу, не має центра симетрії. Ця особливість призводить до розбіжності у фізичних властивостях граней, що теоретично цілком складені з однотипних атомів III, або V групи. Різне поводження граней виявляється під час травлення, окиснення і вирощування кристалів. Напівпровідники зі структурою сфалериту мають п'єзоелектричні властивості.

Сполуки А^IIIВ^V характеризуються ковалентно-іонним характером хімічного зв'язку (частка іонної складової досягає 15…20 %). Іноді хімічний зв'язок у цих сполуках трактується як особливий тип хімічного зв'язку, названого донорно-акцепторним зв'язком. Таку назву зумовлено тим, що з чотирьох ковалентних зв'язків, якими кожен атом вбудовується у решітку, три утворюються усуспільненням валентних електронів атомів А^III і В^V , а четвертий зв'язок - неподіленою парою валентних електронів атомів В^V . Утворення зв'язку такого типу відповідає енергетично вигідному переходу електронів від атома В^V в енергетичний стан, загальний для донора (атома В^V ) і акцептора (атома А^III).

Аморфні напівпровідникові матеріали. Типовими представниками аморфних напівпровідникових матеріалів є склоподібні напівпровідники - халькогенідні й оксидні. До халькогенідних належать сплави Tl, P, As, Sb, Bi з S, Se і Те. Вони характеризуються широким діапазоном значень електричної провідності, низькими температурами розм'якшення, стійкістю до кислот і лугів. Типові представники - тверді розчини As₂Se₃-As₂Te₃ і Tl₂Se-As₂Se₃.

Оксидні склоподібні напівпровідники, наприклад сполука типу V₂O₅- P₂O₅-RO_x (R-метал I-IV груп), характеризуються електричною провідністю 10-⁴…10-⁵ Ом-¹ см-¹ . Усі склоподібні напівпровідники мають діркову провідність, виявляють фотопровідність і термоелектрорушійну силу (термо- ЕРС). Під час повільного охолодження вони зазвичай перетворюються у кристалічні напівпровідники.

3. ФОРМУВАННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ПЛІВОК НА ПОВЕРХНІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЛАСТИН

Виникнення сучасної технології напівпровідникових приладів відноситься до 1957-1958 рр., Коли були відкриті локальна дифузія по оксидній масці і фотолітографія. Поєднання цих методів заклало основу планарної (plane - плоскість) технології напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (ІМС). В даний час вона є домінуючою технологією напівпровідникового виробництва.

Планарну технологію застосовують для створення твердотільної структури, що містить напівпровідниковий кристал з певним розподілом легуючих елементів (p-n - переходів), систему внутрішніх з'єднань з діелектричною ізоляцією, а також для формування зовнішніх висновків цієї структури та її захисту.

Рис.3.1. Структура біполярного NPN транзистора

3.1 Принципи технології

Схему формують на підкладці (зазвичай з кремнію), отриманій шляхом різання алмазними дисками монокристалів кремнію на тонкі пластини. Хімічний склад підкладок, кристалічна структура (аж до міжатомної відстані в підкладках для сучасних процесорів) і кристалографічна орієнтація ретельно контролюються.

В ході технологічного процесу в при поверхневому шарі напівпровідникового матеріалу, який є підкладкою або нанесеного на підкладку, утворююють області з різним типом провідності (або різної концентрації), дозуючи концентрацію донорних і акцепторних домішок. Області захищають шаром діелектрика, залишаючи вікна контактів. Поверх шару напівпровідникового матеріалу наносять шар алюмінію (чи іншого провідника), забезпечуючи внутрішні і зовнішні контакти і необхідні з'єднання по схемі. Шари провідника, напівпровідника і діелектрика в сукупності утворюють структуру напівпровідникового приладу чи інтегральної мікросхеми.

Особливістю планарної технології є те, що після завершення кожної технологічної операції, відновлюється плоска (планарна) форма поверхні пластини, що дозволяє створювати достатньо складну структуру, використовуючи обмежений набір технологічних операцій.

Планарна технологія забезпечує можливість одночасного виготовлення в єдиному технологічному процесі (інтеграцію) великої кількості дискретних напівпровідникових приладів чи інтегральних мікросхем на одній підкладці, що дозволяє суттєво знизити їх вартість. Також у випадку виготовлення на одній пластині ідентичних приладів параметри всіх приладів виявляються близькими. Обмеженою є тільки площа підкладки, тому діаметр підкладки намагаються збільшити.

Для контролю якості виконання проміжних операцій на підкладці, зазвичай, виділяють декілька малих областей (в центрі і на периферії), на яких в ході штатного технологічного процесу формуються тестові площинки до тестових приладів (конденсатори, діоди, транзистори і т.і.). Для суміщення зображень при фотолітографії також в спеціально виділеній області формуються знаки суміщення, на кшталт того, що можна зустріти на кольоровій друкованій продукції.

Основні технологічні операції в планарній технології базуються на процесі літографії (фотолітографії). Використовують наступні методи:

· оптична фотолітографія (стандартна), л=310-450нм;

· ультрафіолетова фотолітографія на ексимерних лазерах, л=248, л=193 нм

· фотолітографія в межовому ультрафіолеті, л=100-10нм;

· рентгенівська фотолітографія, л=0.1-10нм

· електронна літографія

· іонна літографія

Методи фотолітографії можуть бути скануючими і проекційними; контактними, безконтактними, і на мікропроміжку. Також може бути обмежено застосований метод радіаційно-стимульованої дифузії.

3.2 Отримання шарів оксиду і нітриду кремнію

У виробництві напівпровідникових ІМС важливу роль відіграють шари оксиду і нітриду кремнію, які мають маскуючі, діелектричні, ізолюючі і захисні властивості. В конструкції напівпровідникових ІМС ці шари використовують для ізоляції елементів, як діелектрик під затвора в МДН-транзисторах і діелектрик в МДН-конденсаторах, як підкладка для розміщення контактних площадок і внутрішньо схемних з'єднань з металевих плівок, для між шарової ізоляції розведення і захисту кристалів.

У технології виготовлення напівпровідникових ІМС головне призначення шарів і - створення маски, необхідної при локальному обробленні напівпровідникових пластин. Крім того, шари використовують як джерело домішок при легуванні напівпровідників.

Отримання шарів і , спільно з літографією складають основу планарної технології ІМС.

Методи отримання шарів. За участю поверхні початкової напівпровідникової пластини в утворенні з'єднання методи отримання

шарів оксиду кремнію поділяють на дві групи:

· методи, засновані на хімічній реакції при взаємодії матеріалу пластини з окислювачем;

· методи, засновані на формуванні окисної фази при поставці готових кремнієкисневих асоціацій із зовнішнього середовища.

Кожний з перерахованих методів має певні переваги і недоліки при використовуванні його у виробництві напівпровідникових структур.

Так, наприклад, піроліз силанів, реактивне розпилювання і реакції перенесення дозволяють одержувати оксидні шари не тільки на кремнії, але і на інших матеріалах, що може бути використане в планарних германієвих приладах, а також в приладах на основі з'єднань АВ. Методи низькотемпературного окислення і реакції перенесення застосовують для створення пасивувальних шарів на структурах з рельєфом, анодне окислення -- для створення шарів легованого оксиду, що дозволяє здійснювати дифузію з таких шарів. Для пасивації структур різної геометрії можна застосовувати також реактивне напилення.

Піроліз силанів використовують в планарній технології на кремнії для отримання товстих шарів оксиду при низьких температурах, коли термічне окислення неприйнятне через істотну зміну параметрів дифузійних шарів при температурах окислення. Такі шари необхідні в спеціальних типах транзисторів, зокрема в НВЧ-транзисторах, для зменшення сумарної ємності колектора, значний внесок в яку вносить ємність контактних площадок, розташованих на оксиді.

Найчастіше застосовують два методи: піроліз в потоці газу-носія і вакуумний піроліз.

При піролізі, в потоці газу газ-носій, проходячи через, барботер, захоплює пари силану і надходить в реакційну камеру, яка являє собою кварцову трубу, поміщену в піч з температурою, достатньою для розкладання силану. Звичайно використовують тетраетоксисилан, що розкладається при 700°С. При розкладанні утворюється оксид кремнію, який осідає на поміщені в робочу зону печі кремнієві пластини. Цей метод дає найдоскональніші за структурою шари, проте він дуже критичний до підбору швидкості газу-носія, конструкції утримувачів пластин й самої системи. Це пояснюється тим, що досить важко одержати ламінарний потік без завихрень, що дає рівномірні плівки по всій площі осадження. Крім того, зона, в якій розкладання силану не приводить ще до помітного зниження його концентрації в потоці, звичайно менша зони з постійною температурою в печі, а збільшення цієї зони за рахунок більшої швидкості потоку також приводить до нерівномірності плівок за товщиною через появу завихрень у утримувача з пластинами.

У тих випадках, коли рівномірність шару оксиду за товщиною є головною вимогою, застосовують вакуумний піроліз. Система отримання шарів при вакуумному піролізі аналогічна розглянутій, різниця лише в тому, що реакційна камера відкачується, а пари силану в контрольованій залишковій атмосфері подаються в систему через натікач. При цьому пари рівномірно розподіляються по всьому об'єму реакційної камери і дають рівномірне осадження в зоні з постійною температурою. Трудність методу полягає в створенні контрольованої атмосфери у відкачуваному об'ємі. Поява неконтрольованих забруднень різко погіршує якість одержуваних цим методом шарів.

Термічне окислення --найбільш поширене в планарній технології за кремнієвим методом, при якому шари оксиду одержують шляхом відпалу пластин в окислювальній атмосфері. Метод заснований на високо-температурних реакціях кремнію з киснем або кисневмісними речовинами. Термічне окислення вигідно відрізняється від інших методів технологічністю отримання високоякісних шарів.

Оксидні шари досконалі за рівномірністю товщини і за структурою і мають високі діелектричні властивості. Застосування планарної технології на кремнії дає можливість поєднувати термічне окислення з процесом перерозподілу домішки (друга стадія дифузії), оскільки обидва ці процеси в більшості випадків можуть здійснюватися при одній і тій же температурі, вибраній з урахуванням вимог до дифузійних шарів.

Одним з перспективних матеріалів для захисту напівпровідникових структур на основі кремнію і їх ізоляції є нітрид кремнію . Для отримання шарів нітриду кремнію використовують різні методи:

-осадження продуктів при протіканні реакцій взаємодії третра-хлориду або силану - кремнію з аміаком або гідрозіном і тетраброміду кремнію з азотом;

-нанесення реактивним катодним розпилюванням, високочастотним реактивним розпилюванням, плазмохімічним осадженням кремнію в присутності азоту.

З методів, заснованих на хімічних реакціях, найбільше застосування одержало осадження шарів при взаємодії силану з гидразіном . Нанесення здійснюють в кварцовій трубі, через яку пропускають водень, насичений гідразіном з добавками силану, при температурі 550950°С.

Високочастотне реактивне розпилювання засновано на розпилюванні в плазмі азоту атомів кремнію при бомбардуванні кремнієвої мішені іонами азоту і подальшої хімічної реакції. Його перевага перед реактивним катодним розпилюванням полягає в тому, що шари нечутливі до наявності в камері оксигену.

3.3 Термовакуумне напилення

Суть даного методу полягає в нагріві речовини у вакуумі до температури, при якій зростає кінетична енергія атомів і молекул достатня для їх виривання від поверхні і розповсюдження її в навколишнє середовище. В даний час важливу роль відіграє моноокис кремнію. Його одержують напиленням у вакуумі; його типові діелектричні втрати становлять приблизно 0,4%. Є також можливість регулювати парціальний тиск, швидкість осадження, температуру підкладки і обробку після осадження. Точний хімічний склад такої діелектричної плівки визначити не можна.

Напилення двоокису кремнію має певні трудності внаслідок високої температури його плавлення. Випаровування можна здійснювати електронним бомбардуванням. В цьому випадку діелектричні шари по своєму складу близькі до двоокису кремнію. Але принципова різниця є в тому, що коефіцієнт втрат SiO₂ плівок набагато вищий коефіцієнту втрат в таких плівках як SiO. Були зроблені багаточисленні спроби для напилення діелектриків з високою діелектричною проникністю таких як титанат барію. Прямі напилення призводять до часткового розділення окислів, які можна попередити швидким випаровуванням невеликих зерен масивного матеріалу. Інший спосіб заснований на одночасному випаровуванні барію і окислів титану шляхом нагріву їх за допомогою електронного променя. Обидва методи дозволяють отримати плівки з високою діелектричною проникністю (500-1300), але з великими втратами (15% на частоті 1кГц). Були ткож визначені мінімальні значення опору пробою який становить 0,2 мВ . см^-1 .

Рис.3.2.Напилення плівки у вакуумній камері

3.4 Реактивне іонно-плазмове розпилення

Суть методу полягає в тому, що мішень із розпилюваного матеріалу бомбардують швидкими іонами газу; при цьому з її поверхні вибиваються атоми, які осаджуються на підкладку, що знаходиться близько до мішені.

Для джерел іонів використовують плазму тліючого розряду, що виникає в атмосфері інертного газу. Склад плазми, енергія іонів і характер процесів взаємодії розпалюваної речовини з плазмою і матеріалом підкладки визначають властивості одержаних тонких діелектричних плівок.

За допомогою метода іонно-плазмового розпилення одержують плівки того ж хімічного складу, що і матеріал, який використовують для розпилення. Запалювання розряду здійснюють за допомогою високочастотного трансформатора Тесла, а при досить великому термоелектронному струмі розряд виникає сам або треба лише невелике додаткове підвищення анодної напруги. Після виникнення розряду розрядний струм сягає декількох ампер, а напруга на аноді падає до 60 - 40 В, тобто для розряду характерна падаюча вольт-амперна характеристика. Позитивні іони що виникають в розряді з низькою енергією бомбардують підкладку вибиваючи з її поверхні велику частину слабо зв'язаних забруднень шляхом нагріву та «іонного травлення». Після цього на джерело розпилювального матеріалу (мішень) подається від'ємний потенціал. Витягнуті з плазми додатні іони бомбардують мішень з енергією, достатньою для розпилення атомів матеріалу мішені.

При великих енергіях бомбардуючи іонів вибиті з мішені атоми рухаються в напрямку, перпендикулярно до її поверхні і можуть бути скомпенсовані на поверхні підкладки, яка знаходиться навпроти мішені. Рухомий екран дозволяє одночасно або послідовно попередньо очищувати поверхні підкладки і мішені шляхом розпилення поверхневих забруднень. Якість очистки поверхні мішені і особливо підкладки є одним із важливих факторів в процесі плівки із конденсую чого розпиленого матеріалу.

Великою перевагою іонно-плазмового напилення є його універсальність, можна регулювати швидкість напилення з мішені. Розпилювати можна як чисті напівпровідникові матеріали (кремній та інші), так і напівпровідникові сполуки (наприклад, сульфід кадмію).

Рис.3.3. Конструкція реактора для іонно-плазмового розпилення

Одержані таким чином плівки мають велику міцність і хорошу однорідність і не кришаться при розрізанні підкладки на пластини. При високочастотному розпиленні немає необхідності нагрівати підкладку, так як найбільша швидкість осадження при цьому досягається при температурі підкладки 313 К.

3.5 Термічне окислення

Метод термічного окислення при одержанні діелектричних плівок в основному застосовують в кремнієвій технології. В цьому випадку в атмосфері вологого або сухого окислення кремнієву пластину нагрівають до температури 1073 - 1473 К.

Атоми кисню адсорбуються на поверхні кремнієвої пластини, і в результаті взаємодії з атомами кремнію виникає тонка плівка SiO₂ . при подальшій адсорбції атомів кисню по поверхні пластини проходить їх дифузія через створений шар SiO₂ і взаємодія з атомами кремнію на границі розділу кремнію-двоокис кремнію. Швидкість процесу окислення залежить від температури і тиску кисню або парів води. Крім того, на швидкість окислення має вплив присутності домішок на поверхні пластини. Причому більш високій концентрації домішок відповідає більш велика швидкість окислення. Ріст пластинки SiO₂ залежить від орієнтації поверхні підкладки.

Однією з важливіших властивостей термічного окислення полягає в тому, що термічно нарощені плівки двоокису кремнію мають присутній в них великий позитивний заряд (1011 - 1012 см-2 ), який виникає на поверхні незалежно від типу електропровідності напівпровідникової плівки. Величину цього заряду можна виміряти під дією низькотемпературної обробки 473 - 773 К. особливо ефективною така термообробка є при наявності перпендикулярного електричного поля.

Метали, подібні танталу або алюмінію, утворюють дуже тонкі аморфні окисли товщиною 50 - 100 Е при температурах порядку 773 К. при більш високих температурах утворюються змішані аморфно-кристалічні окисли з поганими діелектричними властивостями. Але діелектрики задовільного класу, що мають високу електричну стійкість були одержані на кремнію при температурах 1173 - 1473 К. основною перевагою їх в зменшенні станів по границі розділу внаслідок тісного хімічного зв'язку, що виникає в процесі вирощування плівки.

3.6 Анодне окислення

При одному окисленні використовують електроліт, який має негативно заряджені іони кисню. Самим анодом служить пластинка напівпровідника, що окислюється. Властивості плівок які можна одержати цим методом залежить від складу електроліта. В розчинах кислот виростають плівки, які мають значну товщину і велику шершавість поверхні. Якщо в якості електроліта використати розчин солей, то виростуть міцні і хімічно стійкі аморфні плівки. Швидкість процесу окислення збільшується, якщо в електроліті є іони хлора і фтора. Крім того, присутність цих іонів локалізує позитивний заряд поблизу границі розділу кремній - двоокис кремнію. При наявності іонів хлору густина заряду складає біля 4,6 . 1012 см-2 і з зростанням концентрації іонів хлору зростає. Густину заряду можна зменшити шляхом низькотемпературного відпалу. Ці ефекти обумовлені проникненням іонів галогенів в плівку SiO₂ , причому існування заряду можна пояснити захватом дірок пастками поблизу границі розділу кремній - двоокис кремнію. Товщина плівок визначається прикладеною напругою і протяжністю процесу окислення. Якість плівок можна збільшити шляхом їх згущення в парах води при підвищеній температури.

Окисний шар, одержаний анодним окисленням, характеризується головним чином аморфною структурою і великим опором пробою. Незважаючи на різносторонні дослідження різних металів в даний час в мікроелектроніці знаходять широке застосування тільки анодний алюміній і тантал.

Часто в структурі у вигляді другого шару використовують напівпровідниковий окисел, осаджений на діелектрик. Це покращує частотні і температурні характеристики плівок в порівнянні з тими плівками, для одержання яких використовується рідкий електроліт .

Тонкі плівки із розпиленого танталу внаслідок в наслідок її відносної високої частоти і гладкої поверхні в порівнянні з масивним матеріалом дозволяють формувати діелектричні шари такої високої якості, що електроди від випаровуваного матеріалу можна наносити без використання проміжного шару. Це напевне, найбільш легкий спосіб одержання плівок з великими постійними часу.

3.7 Хімічне окислення

При хімічному осадженні можна вибирати й використовувати багато реакцій хімічних сполук. Вибір конкретної хімічної реакції часто залежить від температури осаджування, яка визначається з урахуванням властивостей матеріалів, які входять в структуру осаджуваної плівки. Найбільш розповсюдженим є термічний розпад тетраетоксилану при температурах 973 - 1173К. такий процес нанесення тонких діелектричних плівок називається піролізом. Якість піролітичного виготовлення плівок можна покращити шляхом проведення цього процесу в присутності кисню.

Піролітичний процес можна також проводити при більш низьких температурах, які не перевищують 673 - 773K. При зменшенні температури піролізу швидкість осадження плівок зростає. Плівки SiO₂ одержані цим методом мають аморфну структуру. Також ще використовують реакції окислення силану киснем при температурі 673 - 723 К для осадження двоокису кремнію. Часто для легування окислів в реакційну камеру добавляють легуючі елементи. Частіше всього для цього використовують такі гідриди як арсін, фосфін і дибо ран, так як процес їхнього одержання і очистки добре освоєний. Нітрид кремнію одержують реакцією силану з аміаком при атмосферному тискові і температурі 973 - 1173 К або реакцією дихлорсилану з аміаком при пониженому тискові і температурі до ~ 973 К.

Рис.3.4.Конструкція реактора для методу хімічного осадження

Такий реактор складається з кварцової труби, що нагрівається трьохзонній печі. Газова суміш поступає з одного кінця труби і відкачується з другого. Для механічного насосу інколи підсилюється вентилятором Рутса. Тиск в реакційній камері звичайно складає від 30 до 250 Па, температура 573 - 1173К, а затрата газу 100 - 1000 см3 /хв. в перерахуванні на атмосферний тиск. Підкладки встановлюються вертикально, перпендикулярно газовому потокові, в кварцовій лодочці. Одночасно в реакторах такого типу можна обробляти від 50 до 200 підкладок.

3.8 Вимоги до діелектричних плівок

Знаючи про фізику діелектричних плівок і в загальних нарисах опису областей їх застосування, можна зробити висновок про класифікацію діелектриків в залежності від їх використання. Діелектрики середнього класу, які мають tgд = 1%, використовуються в основному в ізоляторах і конденсаторах. Але зараз є великий не достаток високоякісних діелектриків (tgд ? 0,1% t> 1000с), які йдуть на виготовлення конденсаторів з малими втратами, затворів в польових транзисторах і т.д.

Для того, щоб вважати плівки високоякісними потрібно дотримуватись багатьох умов. По-перше потрібно, щоб плівка мала високу механічну міцність. Як уже досліджено після напилення тонкі плівки знаходяться в стані механічного напруження, яке може бути викликано або напругою стиску (викликає розтріскання плівки). Очевидно, що розтягання потрібно уникати, так як в таких плівках можуть виникати короткі замикання. Було доведено, що розтягуючи напруги значно збільшують втрати конденсаторів на плівках SiO_2.

Якщо навіть механічні напруги знизити до рівнів, які піддають коректуванню, плівка має бути стабільною і по іншим параметрам. Зміна хімічного складу електродів і діелектрика не має здійснюватись за великий проміжок часу.

Технологія одержання плівок повинна забезпечити потрібну електричну стабільність, тобто в плівках не має бути стабільних місць, які можуть стати зонами провідності (наприклад, мікропори). Знаючи це, можна скласти наступну класифікацію плівкового діелектрика задовільної якості. Він має задовольняти вимоги:

· Висока механічна стійкість.

· Висока хімічна стабільність.

· По мірі можливості розумна товщина (>1000Е).

· Мінімальне число дефектів і домішок.

· Слаба чутливість до вологи.

· Відсутність проколів або слабих місць.

· Невелика здатність до фізичної зміни (старіння і температурна залежність).

· Велика ширина забороненої зони.

· Аморфна структура.

В загальному плівки з великою діелектричною проникністю не слід використовувати із-за їх високої поляризації, і великих втрат.

ВИСНОВКИ

В даній курсовій роботі розглянуто декілька з основних методів одержання тонких діелектричних плівок. Нi один з розглянутих й існуючих взагалі всіх методів не є ідеальним, але кожен метод має свої переваги і має право на існування незважаючи і на недоліки.

Хоча метод термовакуумного напилення і має такі недоліки, як неоднорідність одержаних плівок недостатню їх стабільність і щоб одержати високий вакуум для напилення потрібно важку схему, то цей метод є найпоширенішим із-за того, що він має відносну простоту, високу швидкість осадження і можливість одержання плівок з мінімальними забрудненнями в умовах високого вакууму (1 . 10-8 - 1 . 10-7 Па).

При іонно-плазмовому розпиленні перевагою є його властивість неінерційність. Тобто розпилення матеріалу відбувається лиш тоді коли ми подаємо напругу. Якщо відключити напругу розпилення матеріалу зразу перестає, на відміну від інших методів.

...