Неизотермические процессы в системах кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Рудаков Валерий Иванович

НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени дорггора физико-математических наук

Ярославль 1998

Работа выполнена в Институте микроэлектроники РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Васильев А.Г. доктор физико-математических наук, профессор Гайдуков Г.Н. доктор технических наук, профессор Лаврищев В.П.

Ведущая организация:

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ)

Защита диссертации состоится "" ^Р/ТСУ^Г/УУ1 1998 г

часов на заседании диссертационного совета В физико-технологическом институте РАН по адресу: 117218, Москва, Нахимовский проспект, д.36, корп.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан'' " ЛХ/.^С^З? 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физ.-мат.наук

В.В.Вьюрков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Среди явлений переноса, обусловленных неоднородным распределением температуры, наибольшее значение для систем на основе кремния приобрели термодиффузия и термомиграция.

Большинство исследований по термодиффузии, связанной с наличием в системе градиентов концентраций (или химических потенциалов) компонентов и градиента температуры, выполнено на металлах и сплавах, так как они широко применяются в промышленности. В условиях градиента температуры часто находятся окислы металлов в ядерных реакторах, что породило интерес к термодиффузии в окислах. С появлением полупроводниковых приборов и ^интегральных схем область исследований распространилась на полупроводниковые материалы и технологические процессы.

В противоположность термодиффузш большинство работ и патентов посвящены тер1юмйграцди в полупроводниках (перекристаллизации методом зонной плавки с градиентом

^ т* т> пР^^^ттттг^^ттх гпатл/тгтггтагтгтг а тпп»дтгот*ст тэ ттоигатт

Результатом термомиграции, например в последнем случае, являются пэрекристаллизованные области р+ - типа проводимости определенной формы, в кремнии п - типа проводимости. Кроме того, при строгом рассмотрении процесса тв"смомигРзции. необходимо учитывать .термодиффузию атомов вещества в хидкой зоне. Это обстоятельство еще больше объединяет укззэнны& процессы.

Систематическое исследование неизотермических процессов в системах на основе кремния является актуальным в связи с тем, что:

- термодиффузия в полупроводниках вообще и в системах на основе кремния, в частности, мало изучена. Отсутствуют основные физические закономерности, характеристики и механизмы термодиффузионных процессов. Экспериментальные данные по тагам системам крайне ограничены;

- реальные термические процессы, используемые в микроэлектро -нике, связаны с нагревом и охлаждением полупроводниковых пластин, что приводит к возникновению в них градиента температуры. Кроме того, некоторые технологические операции в той или иной степени осуществляются в температурном поле, которое следует учитывать;

- необходимость изготовления традиционных кремниевых структур с высокими электрофизическими характеристиками и создания новых для

приборов будущего требует поиска перспективных способов их формирования. Основой таких способов могут быть неизотермические процессы.

Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование влияния градиента температуры на процессы переноса в системах на основе кремния. В соответствщ с этим были сформулированы следующие задачи:

1. Теоретически исследовать явления переноса с учетом тепла, вызванного термодиффузионным потоком вещества.

2. Разработать кинетические модели основных технологических процессов в температурном поле.

3. Экспериментально исследовать влияние градиента температуры на образование структур в системах на основе кремния.

4. Выявить и проанализировать новые возможности применения термомиграции в микроэлектронике.

Научная новизна работы. Впервые проведено последовательное теоретическое и экспериментальное исследование влияния температурного поля на процессы переноса, используемые в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем. Это позволило выявить и решить комплекс проблем, связанных с закономерностями этих процессов.

Формально введенной в уравнение потока тепла величине дана Физическая интеппветация и указаны способы ее теоретического и экспериментального определения. Установлены связи между изотермической и неизотермической тзплотами переноса, а также между теплотами переноса с одной стороны и коэффициентом теплопроводности и механизмом диффузии атомов с другой.

Впервые предложены кинетические модели термического окисления кремния и эпитакеш в температурном поле. Получены приближенные аналитические решения уравнения Фика при наличии градиента температуры с коэффициентом диффузии, зависящим от координаты, для случаев диффузии из постоянного и переменного источников в полуограниченное тело.

Впервые получены экспериментальные зависимости толщины окисла от времени окисления, концентрации фосфора и бора в кремнии от глубины диффузии и концентрации скрытых слоев кислорода в кремнии от глубины залегания для противоположных направлений градиента температуры. Экспериментально определены значения теплот переноса

фосфора и бора в кремнии, а также кислорода в двуокиси кремния.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) установленные теоретические положения могут служить основой для расчета кинетических параметров, характеризующих процессы переноса при наличии градиентов концентрации и температуры;

2) разработанные модели неизотермических процессов, могут быть использованы в микроэлектронике для описания и прогнозирования поведения систем на основе кремния в температурном поле;

3) апробированные в работе неизотермические процессы могут найти применение в технологии изготовления структур на основе кремния, а также микроприборов и интегральных схем;

4) конструктивные принципы, отработанные в экспериментальной установке, могут быть использованы при создании промышленного оборудования для торкоградшзнтной обработки колупроволвиковых пластин.

Личный вклад автора. Большинство исследований, описанных в диссертации, было выполнено по инициативе и под руководством автора, а также по предложенным автором идеям.

Личный вклад автора заключается в развитии концепции термоградиентной обработки систем на основе кремния, в постановке задач исследований и определении путей их решения, в разработке •теоретических положений и моделей неизотермических процессов, а таккс б их экспериментальной проверке путем планирования экспериментов и выполнения в ряде случаев технологических операций и измерений.

Большая часть статей и обзоров по теме диссертации написаны автором после обсуждения результатов с соавторами работ. Автором выполнено обобщение представленного в диссертации материала.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на более 30 Всероссийских и международных конференциях, семинарах и совещаниях. Опубликовано 5 обзоров. Делались доклады на научных семинарах институтов: ИМ РАН, ФГИ РАН, МИЭТ, ЛЭТИ.

На защиту выносятся следувдие основные положения:

1. Термодинамические соотношения для явлений переноса, полученные с учетом тепла, обусловленного термодиффузионным потоком вещества и их физическая интерпретация.

2. Кинетическая модель термодиффузии на основе статистического подхода и полученные выражения для теплоты переноса, а также их

- б -

рассчитанные значения для ряда материалов.

3. Модель термического окисления кремния в температурном поле и экспериментально полученные зависимости толщины окисла от времени окисления для разных значений градиента температуры.

4. Математическая модель термодиффузии на основе решения уравнения Фика и экспериментально определенные концентрационные профили фосфора и бора в кремнии при наличии градиента температуры.

5. Установленные теоретические закономерности и механизмы эпитаксии кремния из газовой и твердой фаз при наличии градиента температуры на основе разработанных кинетических моделей.

6. Механизм отжига скрытых слоев кислорода в температурном поле и экспериментальные зависимости распределения концентрации кислорода в кремнии от времени термогрэдаентной обработки.

, 7. Экспериментальные результаты лазерной перекристаллизации пленок кремния методом зонной плата: на слое двуокиси кремния и механизм формирования волнового рельефа на поверхности этих пленок.

8. Способ изготовления канальных волноводов через кремниевую пластину с помощью термомиграции алюминия и рассчитанные значения их основных параметров.

9. Метод сборки и герметизации микроэлектронных приборов и интегральных схем с использованием термомиграции алшиния в кремний.

С'х'вуктусз и объбы тщссрртацнн - Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Обьем работы составляет 223 страницы -машинописного текста, 58 рисунков, 8 таблиц и 235 наименований литературы.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и основные задачи, показаны ее научная новизна и практическая ценность, определены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан. анализ современного состояния исследований и разработок в области неизотермических процессов и термоградиентной обработки материалов, выявлены достоинства и недостатки этих процессов, приведены возможные подходы к

использованию неизотермических процессов и термоградиентной обработки в технологии полупроводниковых приборов и ИС.

Отмечено, что важным параметров термодиффузии является теплота переноса, которая формально вводится в феноменологические уравнения неравновесной термодинамики и поэтому основной проблемой термодиффузии является разработка кинетической модели и определение физического механизма, лежащего в основе теплоты переноса. Однако в литературе этот параметр интерпретируется только для изотермических условий.

Термодиффузия представляет собой не только большой теоретический интерес, но может иметь важное практическое значение в процессах роста кристалла кремния, зонной очистки монокристалла кремния от примесей в твердом состоянии, основанной на различии растворимости примеси яри различных темпетотусах, а также осаждении из газовой фазы металлооргаяических соединений. Однако совершенно не изучено или уделено мало внимания влиянию градиента температуры на такие технологические процессы как термическое окисление кремния, диффузия легирующих примесей и твердофазная эпитаксия.

Большое внимание уделяется термомиграции алшиния в кремнии. Наряду с рассмотренными моделями образования и движения расплавленной зоны описаны возможные применения термомиграции алюминия в кремнии для изготовления полупроводниковых приборов, ЙС и различных устройств на основе кремния, в тем числе, трансформаторов и катушек индуктивности. При движении расплавленной зоны алюминия в направлении градиента температуры через кремниевую пластину я-типа проводимости образуется перекристаллизованная область р+-типа проводимости. Отмечено, что в большинстве случаев используется изменение электрофизических свойств перекристаллизован - ных областей.

На основании проведенного анализа неизотермических процессов конкретизированы задачи, которые необходимо решить в работе.

Во второй главе исследованы физические основы термодиффузии. При этом были использованы термодинамический и статистический подходы.

Первый раздел посвящен термодинамической теории термодиффузии. Рассмотрена система, представляющая твердый раствор замещения с неоднородным распределением температуры, в которой примесь

диффундирует по вакансиям. В рамках теории Онзагера потоки примеси J±, вакансий ^ и тепла «7 описываются с помощью двух уравнений

^ = ал - м+ ад*

Jn = I (X. - X) + IX, ч ч! 1 V дд д

(1;

где Х1=-(уц1)т> и 1ч=-(Г~Чг) - термодинамические силы.

- коэффициенты Онзагера, - химический потенциал, Т -абсолютная температура.

В работе показано, что путем введения величины .д* с помощью соотношения

I = о*1 . (2)

ЧЧ '1 оД

и ее физической интерпретации, которая представляет собой тепло, переносимое единичным термодиф$узионным потоком примеси при ~ О, уравнение для потока тепла преобразуется к более простому и симметричному относительно штока вещества виду

(3)

J = I лх, + Ц*Л ).

3 1 -шх ч

где Я*=а*-В£ и а* =о*-й£. Здесь использованы известные соотношения Х^Ну.^ и где ¿г - энтальпия образования

вакансии, а величина £2* представляет собой поток тепла, обусловленный единичным диффузионным потоком примеси при постоянной температуре {X =0).

Далее, введением другой величины С^ с помощью выражения

*

1 1 л*

Чт1

и ее физической интерпретации, которая представляет собой тепло, переносимое единичным термодиффузионным потоком примеси при постоянной концентрации (^=0), уравнения для потоков (3) представлены как

= <$1 *

где через ^Ь^^ и обозначены потоки примеси,

обусловленные градиентами концентрации и температуры соответственно. Отмечено, что при наличии в системе градиента концентрации растворенного вещества и градиента температуры результирующий поток тепла равен сумме двух потоков. Один поток ¿бпл2 озязап с потоком вещества• оиусловлвнным гиззливктом концентрации, а другой - с потоком вещества, вызванным градиентом температуры.

•Установлена связь между величинами и с одной стороны и

КОЗ{4л^МЦй6аТашК , С ДрУТСЙ о ВИД© ОлЗДуЖЩ^гХ СООТНОШбНШа

■*- J

11 <34 - Т? 1 7". -<->*_ л*

14 11 = ь ./б.. = а*. <ЗХ 11 ^х"

Ь /Ь , <34 41 = 1 /Ъ, = о* (6)

Ь ЯП 11 =

г /т 11 = 1.

Кроме того, установлена также связь мевду теплотой переноса и теплопроводностью твердых тел. При этом рассмотрены два предельных случая. Первый случай соответствует начальной стадии термодаффузии или обычной теплопроводности (vC1=0) с коэффициентом теплопроводности ае0. Второй случай соответствует конечной стадии термодиффузии или стационарной теплопроводности (^=0) с коэффициентом теплопроводности хт

В работе указан способ экспериментального определения величины д* на онове измерения в стационарном состоянии эффекта Дюфура.

Вместе с известным методом определения величины (}* с помощью измерения эффекта Соре в стационарном состоянии уравнения для их определения представлены в виде

- кЧЫпС, =

1 ш!

(В)

т = ьтыпс

В рамках термодинамики необратимых процессов величины ф* и q*í, как и коэффициенты 11 , могут быть определены только из опыта. Однако их можно таете рассчитать, если рассмотреть конкретные модели с использованием кинетических методов.

Во вшорох разбеле дано атомистическое описание термодийфузии. Рассмотрена простая кубическая решетка кристалла, в которой вдоль оси х приложен градиент температуры. В этой решетке выделены две соседние плоскости, перпендикулярные к оси х.

В работе показано, что когда атом примеси диффундирует за счет перемещения вакансии и частота его скачков представляется известным выражением Г = ш ст, где ш1 - частота скачков атома примеси, находящегося рядом с вакансией (вероятность того, что атом примеси займет вакансию), с^ - концентрация вакансий, выраженная в атомных долях (вероятность нахождения вакансш рядом с атомом примеси), а атомные доли вакансий на указанных плоскостях и частоты скачков атомов примеси с одной плоскости на другую отличаются между собой. Тогда изотермическая теплота переноса будет определяться выражением

3* = .М2—

т! дт

1п—Ь-

с

(9)

Дана атомистическая интерпретация величины Она представляет

собой результирующую энергию, переносимую атомом примеси при скачке. Отмечено, что указанная энергия зависит от величины отношения ш^/с^., которая представляет собой число скачков атомов, приходящихся на одну вакансию. Установлено, что по значению этого отношения можно определить направление перемещения атомов примеси в температурном поле. Если ш1/ст>1, то О^Я и атомы перемещаются в направлении более низкой температуры. При ш /ст=1, и

перемещение атома происходит безотносительно к направлению градиента температуры. Если , то ^<1 и атомы перемещаются

в направлении более высокой температурн.

Рассмотрено влияние состояния вакансий на процессы переноса энергии. Показано, что когда частота скачков атомов примеси и концентрация вакансий определяются множителем Болъцмана, тогда на основании формулы (9) теплота переноса будет равна

<± = ^ - К+ (10>

где - энергия перемещения атома примеси, находящегося рядом с вакансией, Е* - энергия образования вакансии вдали от атома примеси (энергия образования вакансии в чистых кристаллах) и - энергия связи вакансии с атомом примеси. Здось мнонятель 7 учитывает отклонение вакансий от локального равновесия. Значения 7 находятся в пределах между 0 и 1. Предполагается, что 7=0 для монокристалла (отклонение вакансий от локального равновесия) и 7=1 в случае поликристалла (локальное равновесие вакансий). Отмечено, что для чистых кристаллов, когда £^±=0 и теплота переноса

определяется только характеристиками вакансий.

Установлена связь мезду переносом тепла и атомным механизмом диффузии. Полученное выше соотношение (10) описывает величину переносимой энергии в твердых растворах замещения, когда примесь диффундирует по вакансиям. Отмечено, что оно может быть использовано и для твердых растворов внедрения, когда примесь 'диффундирует по междоузлиям. В этом случае энергия образования вакансий (вакансии не надо образовывать, т.к. мекдоузельные положения уже присутствуют в кристалле) и тогда = ¿^ +

В работе впервые предложена кинетическая модель для неизотермической теплоты переноса По аналогии с предыдущем из рассмотрения потоков энергии между плоскостями кристаллической решетки получено выражение

* * а1п£1

Отмечено, что когда величина е±=кТ представляет собой среднюю энергию колебаний атомов на одну степень свободы, тогда из уравнения (11) следует

С - С = < - 01 = ЙГ.

(12)

Сравнение между собой соотношений (12) и (6) позволило установить дополнительную связь между кинетическими параметрами процесса переноса. Кроме того, выражение (12) позволило объяснить наблюдаемую на опыте рядом авторов зависимость'теплоты переноса от температуры.

На основании полученных выражений рассчитаны теплоты переноса для некоторых материалов и проведено их сравнение с известными экспериментальными данными. Отмечено соответствие теоретических значений теплоты переноса опытным данными.

КТЭСЫЭ ТОГО, ТЭЗССнИТЗНЫ 78ПЛОТЫ ХГврЗНОСЗ Бс1КЗНСИЙ 5 ЧИСТОМ

алюминии, который наиболее изучен в литературе, и полученные значения сопоставлены с известными опытными данными. Так для монокристалла: в* „„„=+15 ккал/г-атом, =+11 ккал/г-атом; для

* шуа^Ч и«»!»

ПОЛйКрЙСтЗЛЛЗ« Q _ _ _тт——2,5 КК 8 Л/Г—а Т ОМ , ,О КК8Л/Г = и ТОМ.

Хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений теплоты переноса явилось важным аргументом в пользу разработанной модели.

В работе впервые рассчитаны теплоты переноса фосфора и бора в кремнии. При этом величина включала энергию кулоновского

взаимодействия вакансии и примесного атома, обусловленную их разноименными зарядами, и энергию упругого взаимодействия вследствие различия атомных радиусов кремния и легирующих элементов. Значения теплот переноса фосфора и бора равны <2^=+14,3 ккал/г-атом и «*„=+11,1 ккал/г-атом соответственно.

то

В работе также впервые рассчитана теплота переноса кислорода в двуокиси кремния в предположении, что диффузия кислорода происходит в основном по междоузельному механизму. Так как данные о зарядовом состоянии междоузельного кислорода в двуокиси кремния отсутствуют, поэтому энергия кулоновского взаимодействия не учитывалась. Что касается упругих напряжений, то учитывались напряжения сжатия, основной причиной возникновения которых является разница коэффициентов термического расширения между кремнием и диоксидом кремния. Значение теплоты переноса равно <3*0=+39,8 ккал/г-атом.

В результате сделан вывод о том, что атомы фосфора, бора и кислорода должны мигрировать в направлении более холодной стороны образца.

Отмечено, что для проверки теоретических положений настоящей главы необходимо разработать экспериментальную установку, т.к. соответствующее промышленное оборудование отсутствует.

Третья глава посвящена особенностям экспериментальной установки для термоградиентной обработки полупроводниковых пластин и способу контроля температурного режима.

В первол разделе рассмотрена конструкция экспериментальной установки. В общем случае она состоит из рабочей камеры, нагревательного и охлаждающего устройств, аппаратуры для регулирования и контроля температурного режима, блока управления и электропитания. Необходимость создания градиента температуры, направление которого должно совпадать с нормалью к поверхностям шюскопараллельной пластины, и управления им обусловило конструктивно-технологические особенности установки. Пластина устанавливается неподвижно на конических кварцевых опорах в горизонтальной плоскости. Нагревательное устройство, содержащее пятнадцать галогеновых ламп типа КГ-220-2000-5, расположена над пластиной и с помощью уплотнения отделено от последней кварцевым стеклом. Это позволило охлаждать лампы сжатым воздухом. Под нижней стороной пластины расположено теплоотводящее устройство, охлаждаемое проточной водой, которое может перемещаться в вертикальном направлении и тем самым изменять температурное поле в рабочей камере.

В рабочей камере осуществлялась индивидуальная обработка полупроводниковых пластин диаметром до 100 мм при градиенте температуры от 2 до 250 град/см и средней температуре пластины 1000 °С. Максимальная рабочая температура составляла 1200 °С при использовании таких газов как кислород, азот и аргон.

Во второл разделе раскрыт способ контроля температурного режима. В процессе термоградиентной обработки кремниевых пластин измерялись: температура нижней стороны пластины с помощью пирометра и температура теплоотвода термопарой. Температура пластины зависит от суммарной излучаемой мощности ламп. При этом, чтобы исключить влияние краевых эффектов, вдоль радиуса пластины устанавливалась неоднородная мощность излучения.

Для оценки градиента температуры в пластине ъТ, направленного по нормали к поверхности, использовалось уравнение баланса тепловых потоков, когда поглощаемая пластиной энергия затрачивается на ее

нагрев и отдачу в окружающую среду за счет излучения и теплопроводности. Показано, что управлять величиной градиента температуры можно путем изменения расстояния между пластиной и тешюотводом.

В третъел разделе уделено внимание способу установления • направления градиента температуры в полупроводниковой пластине. Когда температура пластины в процессе , термоградиентной обработки значительно превышает величину перепада температуры мезду 1фотивоголожными сторонами, тогда изменение направления градиента температуры в пластине на противоположное можно выполнять ее простым переворачиванием в рабочей камере.

На основе результатов настоящей главы была изготовлена и введена в эксплуатацию экспериментальная установка для исследования неизотермкческлх процессов в системах на основе кремния.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния градиента температуры на основные технологические процессы, используемые в микроэлектронике.

В пербол раздела рассмотрено действие градиента температуры на процесс окисления кремния. Для описания сплошного окисления поверхности кремния предложена кинетическая модель, в которой окисленный слой кремниевой подложки, представляющей собой плоскопараллельную пластину, находится в контакте с газовой фазой.

которого совпадает с нормалью к поверхности подложки. В этом случае окислитель (02 или Н20) переносится в температурном поле из объема газовой фазы нз границу раздела газ-окисел (поток J"1), дкф^ундирует через уже образованный окисел при наличии в нем градиента температуры по направлению к кремниевой подложке (поток Jz) и реагирует с кремнием на границе раздела окисел-подложка (поток J2).

Показано, что когда процесс окисления считается стационарным и ^ч^г^з' Т0ГДа поток окислителя, достигающий границы раздела окисел-кремний, будет описываться обыкновенным дифференциальным уравнением

Ох к С*

N.-^ = <Г3 = -§---, (13)

1 dt 3 1 /и+ft /71+ий C /vD

SSO

где ff - количество окислителя в единице объема, необходимое для образования окисла, к - константа скорости реакции окисления, С* -

равновесная концентрация окислителя в объеме окисела.

Решение уравнения (13) при А2,о/2'о«1 и Д2^/2* «1 получено в виде

+ 2>го + 0Пхо) = Д(Г + т), (14)

где Р=2Га/7-о/р+рОе/7?1+Яе/йзЭ, 0=2[аг/рг-а2/р7+(ар-а7)2)е/р7йз], Я=грс\и/-г№±, /(ло)=1п(а+рго), т=[^1+йто+(у(го:|,)]/Д, и=1-з АГ ,

3о=Яж/ о И 5е=2£>о8ХР(_г,с/й2о)- Здесь коэффициент массопереноса в газовой фазе Ь считается постоянным, величина х учитывает время, необходимое для образования начального окисла толщиной х £7* -равновесная концентрация окислителя в объеме скисла.

Учитывая, что на практике всегда выполняется условие (» -зе )лг /зе ¿«1, где зг_ я зе - какМгрптвнты твпллщгаводности

¿С ООО К о -

кремния и окисла, установлена связь мевду градиентом температуры в окисле и градиентом температуры который непосредственно определяется в эксперименте, с помощью соотношения

уГ = (15)

° ае

о

В работе сделан вывод, что градиент температуры в окисле или в другом слое, теплопроводность которого отличается от

ТЭГЦЮТТЯОЯО_ гтт'.^ГГ-.т-^гт.-^тт.. Г./1 (г гттчо-птг^тгтгг

температуры, определяемому в эксперименте и не зависят от толщины

ТТЛ* п

Рассмотрены два предельных случая. В первом случае при малой толщине окисла или очень коротком времени окисления, т.е. когда справедливо соотношение з?«Рх +0/(х ),

о

« Е+Р(Пъ), (1

о;

где Е = - а1ш/СР+3(р/а)], Р = Я/СР+дф/а)].

Уравнение (16) представляет собой линейный закон, где множитель Р есть линейная постоянная скорости окисления при наличии градиента температуры. В другом предельном случае, при достаточно большой толщине окисла или большом времени окисления, т.е. когда слагаемым Ее +<У(х ) и величиной т; можно пренебречь,

* т, (17)

Уравнение (17) представляет собой параболический закон, где коэффициент Д - параболическая постоянная скорости окисления при наличии градиента температуры-

Отмечено, что при отсутствии градиента температуры ((3=7), полученные выражения переходят в известные формулы Дила и Гроува.

На основе анализа выражений (16) и (17) показано, что градиент температуры влияет на скорость роста окисла. Причем его направление определяет изменение скорости роста как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения по отношения к изотермическому процессу.

Для проверки модели было проведено экспериментальное исследование влияния величины и направления градиента температуры на термическое окисление кремния. Окисление осуществлялось при температуре 1000 °С в атмосфере сухого кислорода.

Исследование окисленных слоев кремния выполнялось на оптическом измерителе толщины пленок типа МРУ 5Р фирмы ЬеХЪа (Германия).

Впервые получены зависимости толщины окисла от времени окисления для разных величин и противоположных направлений градиента температуры. Установлено, что при отрицательном направлении градиента температуры окисел растет быстрее * чем при положительном направлении, и с увеличением абсолютного значения градиента температуры толщина окисла возрастает. Отмечено хорошее совпадение между собой экспериментальных и теоретических зависимостей.

Впервые экспериментально определена теплота переноса кислорода в двуокиси кремния. В предположении, что толщина окисла описывается выражением (17), получено значение теплоты переноса ккал/г-атом.

Дано объяснение заметному эффекту влияния градиента температуры на процесс окисления кремния. На основе формулы (15) показано, что при температуре пластины 1000 °С и |уТ|=Ю0 град/см, градиент температуры в окисле равен )у!Го1=1300 град/см. Поэтому влияние температурного поля на процесс окисления является значительным.

Далее было выполнено моделирование локального окисления кремния. При этом использовались известные из литературы эмпирические зависимости для изотермических условий, когда толщина защитного окисла равна 0,1-1,5 мкм, толщина нитридной маски равна 0,05-0,2 мкм, толщина буферного слоя не более 0,05 мкм и диапазон температур составляет 850-1100°С. Геометрические параметры были выражены через толщину окисла в защитной области.

В предположении, что вертикальные размеры окисла формируются под воздействием температурного градиента, в работе впервые получены профили окисла в виде "птичьего клюва" при наличии градиента температуры. Показано, что градиент температуры влияет на геметшческие хзазмеры окисла и можно выбрать такие режимы термоградкентной обработки, когда длина "птичьего клюва" будет меньше аналогичной длины, полученной при изотермическом процессе.

Во втоуол разделе исследована тер?.юдиффузия легирующих приме -сей в кремнии. Для описания процесса перераспределения концентрации вещества в пространстве и во времени С = C{x,t) было использовано дифференциальное уравнение-

рttq тл0рффтгттт*пт1т 7y™f^yoTrT* 7} — ) ~ 7) ЭХР С — 3 Зтгпаь D

• предэкспоненциальный множитель, к - постоянная Больцмана, Е -

Показано, что с помощью введения новой функции U и замены переменной х

ас а г гас <з*с аг dt дх[ [ах &Т2 дх:

m

(18)

о

уравнение (18) сводится к виду

(19)

где D* = Я*ехр(а0£). Здесь D* = Л0ехр[-(Е-2<3*)/йГ(?) и aQ = [ {E-ZQ^/til^ (О) ]vTexp[-Q*/Ä!P(0) ].

В качестве модели выбрана плоскопараллельная пластина толщиной I, поверхности которой поддерживаются при постоянных температурах Г0 и Т1. Когда коэффициент теплопроводности вещества ае не зависит от температуры, тогда в стационарном состоянии температура Т будет являться линейной функцией координаты х и определяться выражением Т = Т(х)=Т0+ЦТ1-Т0)/их. В этом случае градиент температуры чТ = (Тг-Т0)/1 будет направлен по нормали к поверхности пластины.

Получены приближенные решения уравнения (18) с использованием метода преобразования Лапласа по переменной {, описыващие диффузию вещества из постоянного и переменного источников в полуограниченное тело при наличии постоянного градиента температуры

гзгтттттгмохт'рпм

диффузии, зависящем от координаты.

Постоянный источник характеризуется постоянной поверхностной концентрацией в течение всего процесса диффузии. На практике такой источник реализуется, например, при диффузии из газовой фазы. Решение уравнения (18), которое удовлетворяет начальным и граничным условиям С(х,0) = 0 и С(0,1) = С0 соответственно, записано как

С(х,г) = С ехр

Е+2С1* _

чТ

еггс

^20(0)7

(20)

ТТоро**оНКЫЗ I?fí,7,f^^тттtтк, ряя ТП'ГЗ 7 С ^ я тлтттг^ти? ттлтэо.т^ттт.лг

77г\ а г- Г\ ТТ ¿л г>!«> о. »гт п » *

диффузии будет изменяться. Решение уравнения (18), которое удовлетворяет начальным и граничным условиям С(х,0) 0 и ^[С(х,*)<3х = о соответственно, представлено в виде

С(х,г) =

<2

/ й)(0)г

-ехр

Е+2Я* чТ

т

то

ехр

х2

40(0»

■ (21)

Отмечено, что в предельном случае, когда чТ=0 и Г=Г0, решения (20) и (21) принимают традиционный вид егГс-функции или функции Гаусса соответственно.

На основе анализа выражений (20) и (21) показано, что величина и направление градиента температуры влияют на форму концентрацион -ных профилей. С его помощью можно управлять градиентом концентрации и скоростью диффузии.

Для проверки математической модели были проведены экспериментальные исследования диффузии фосфора и бора в кремнии при наличии градиента температуры. В качестве исходной структуры для изучения термодиффузии фосфора использовались пластины кремния типа КДБ12(Ю0), легированные фосфором способом ионной, имплантации с дозой 1400 мкКл/см2 и энергией 80 кэВ. Для термодиффузии бора использовались пластины КЭФ4,5(100), легированные бором с дозой 700 мкКл/см2 и энергией 40 кэВ. С каждой стороны отбиралось по три образца, два из которых отжигались в течение 2 ч в аргоне при температуре 1050 °С с противоположными направлениями градиента температуры |vT|=100 град/см.

Исследование профилей распределения концентрации фосфора и бора осуществлялось с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии íRLiívín) на установке типа Z4S—"ChíTíSCS" (Франция).

. На основе анализа профилей концентрации фосфора и бора отмечено их идентичное поведение в температурном поле. Установлено, что фосфор и бор перемещаются в температурном поле в направлении более холодной стороны пла'стины. В предположении, что концентрация легирующей примеси описывается выражением (21), в работе впервые экспериментально определены значения теплоты переноса для фосфора и бора в кремнии. Эти значения равны соответственно Q*p=+22,1 ккал/г-атом и Q* =+33,6 ккал/г-атом.

то

С цельй изучения боковой диффузии было выполнено двумерное численное моделирование термодиффузии. При этом предполагалось, что градиент температуры направлен вертикально к поверхности пластины. Расчеты показали, что при заданной глубине залегания р-п перехода, с помощью градиента температуры можно уменьшить величину диффузии примеси под маску.

В третъел разделе теоретически исследованы эпитаксия кремния из газовой фазы и твердофазная эпитаксия при наличии градиента температуры.

В случае эпитаксии из газовой фазы отмечено, что детальное изучение этого процесса включает рассмотрение термодинамики, кинетики химических реакций и механизма течения газового потока в реакторе. Оценки температурного режима в обычном горизонтальном реакторе показали, чтопри температуре подложкодержателя 1200 °С градиент температуры в газовой среде составляет около 350 град/см.

Предложена кинетическая модель эпитаксии при наличии градиента температуры, включающая поток реагента (кремнийсодержащего газа) из газовой фазы к поверхности кремниевой пластины и поток скорости химической реакции на единицу площади вблизи поверхности. В рамках этой модели получено выражение для скорости роста эпитаксиального кремния из газовой фазы

йг С (1-з Д2" )П к -£ = -(22)

йг N п +к е э

где N - концентрация атомов кремния. Отмечено, что при АГ„=0. выражение (36) переходит в обычную формулу скорости роста.

В работе рассмотрено влияние градиента температуры на рост эпитаксиальных слоев кремния на монокристаллических подложках за счет реакций, протекающих в твердом состоянии (твердофазная эпитаксия) со средой переноса, например тонким слоем металла (~102 нм), и без среды переноса, например перекристаллизация аморфных слоев после конной имплантации.

Предложена модель зпитаксии кремния с тонким слоем металла, например алюминия, которая состоит из: 1) массоперенса растворенного кремния в температурном поле из объема алюминиевой пленки, находящейся на границе раздела чистый алюминий разбавленный кремнием алюминий и 2) рекристаллизации кре&ггия на границе разбавленный кремнием аяюманай-зпитаксиаяьшг кремний. В результате получено уравнение роста в виде

с£г С (1-з ЛГ )Вк

е __ _а а а з '23)

ей N т-к х ' 4

з а

где ха - толщина алшиния с растворенным кремнием, I) - коэффициент диффузии кремния в алюминии, за - коэффициент Соре в разбавленном кремнием алюминии, 0& концентрация растворенного кремния в объеме алюминиевой пленки.

Показано, что к этому виду эпитаксии относится механизм роста некоторых дисилицидов, например, К1Б12, Со312 и РеБ1г. Их постоянные решеток близки к постоянной решетки На основе анализа механизма формирования дисилицида и его свойств сделан вывод о схожести данного процесса с окислением кремния при наличии градиента температуры. Поэтому эпитаксиальный рост будет описываться аналогичными выражениями.

Рассмотрена эпитаксия из твердой фазы без металлической среды переноса, которая происходит при наличии полупроводникового слоя на монокристаллической подложке. Отмечено, что этот слой может образовываться при напылении кремния или ионной имплантации при больших дозах (>10 см ). Известно, что свободная энергия аморфного кремния больше монокристалла на величину Д(7=0,12 эВ. Поэтому при контакте аморфного кремния с кристаллическим возникает термодинамическая движущая сила, вызывающая фазовый переход аморфный кремний - монокристаллический кремний путем твердофазной зпитаксии. Этот переход справедлив для всех температур существования фаз. Однако на практике для осуществления этого перехода кроме термодинамического стимула требуется обеспечение соответствующих кинетических условий. С зтой целью изучено влияние градиента температуры на отнят аморфзкх и монокристаллических имплантированных слоев кремния.

Теоретически исследован отжиг аморфных имплантированных слоев кремния при наличии градиента температуры. При нагреве такой структуры атомы кремния из аморфного слоя диффундируют к границе раздела аморфный кремний - монокристаллический кремний и там рекристаллизуются. Показано, что в предельном случае, когда скорость роста ограничивается диффузией кремния к поверхности эпитаксия-Льного ¡спямния, получено выражение

й* х

а

где 2}=г>0ехр(-Е/йГ), а энергия активации рекристаллизации равна £=2,3 эВ; индекс а относится к аморфному кремнию. Кз формулы (38) видно, что наличие перепада температуры приводит к изменению скорости роста эпитаксиальной пленки кремния.

Исследован также отжиг монокристаллнческих имплантированных слоев кремния. Как уже отмечалось, аморфизация кремния происходит при высоких дозах имплантации ионов. Существует температурная зависимость критической дозы имплантации для образования аморфного слоя. Для относительно легких ионов, таких как фосфор и бор, превышение температуры подложи над комнатной на 100 °С предотвращает образование аморфного слоя практически при любой дозе имплантации. Однако точечные дефекты все же образуются. Возникает задача их отжига. Механизм отжига точечных дефектов состоит в том,

что если вакансия окажется рядом с междоузельным атомом кремния, то она захватывает этот атом (процесс рекомбинации). Следовательно, для эффективного отжига необходимо создать поток вакансий в имплантированном слое. Отмечено, что создать направленный поток вакансий можно с помощью градиента температуры.

В пятой главе исследовано влияние градиента температуры на формирование структур кремвий-на-изоляторе (КНИ).

В первол -разделе изучен отжиг скрытых слоев кислорода в кремнии (SIM0X) в температурном поле. В качестве исходных подложек использовались пластины кремния типа КДБЮ с ориентацией ■ (100). Имплантация ионов 0Т проводилась с энергией 130 кэВ и дозой 1,2-1018 см-2 при плотности ионного тока 20 мкА/см2. Температура пластины составляла 600 °С. Были сформированы две партии по три образца в каждой. Два образца из каждой партии отжигались в аргоне при температуре 1000 °С с противоположными направлениями градиента температуры в течение 3,0 и 10 ч. Абсолютное значение градиента температуры равнялось 100 град/см.

Исследование скрытых слоев S102 осуществлялось с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии (ВМм'С) на установке типа IMS-4P "Cameca" (Франция), растровой электронной Оже спектроскопии (РЭОС) на установке типа PHI 660 "Perkin Elmer" (США) и ИК Фурье -спектрометвии на шжботзв типа ZFS-88 "Bmksr" (Германия).

uuuiu

скрытого слоя S102. Установлено, что его толщина увеличивается преимущественно со стороны более холодной границы раздела фаз SlOg-Si. При этом отмечено, что после проведения термоградкентной обработки двух образцов с противоположными направлениями градиента температуры в течение 10 ч относительное смещение полученных слоев S102 толщиной 150 нм составляло приблизительно 50 нм.

Предложенный механизм объясняет экспериментальные результаты. При высоких дозах (~1018 см-2) уже в процессе имплантации по достижении стехиометрической концентрации кислорода (4,4-Ю22 см-3) образуется слой Si02. Однако в этом участвует только часть имплантированного кислорода. Другая часть, которая расположена по обе стороны скрытого слоя Si02, находится в относительно свободном состоянии и является достаточно подвижной. Эта часть кислорода увлекается температурным полем к границе раздела фаз S102~Si и окисляет дополнительное количество кремния, тем самым увеличивая

толщину скрытого СЛОЯ S102 с той или другой стороны исходного профиля, отмечено, что поведение кислорода здесь будет аналогично рассмотренной в главе 4 модели термического окисления кремния при наличии градиента температуры. Отличие состоит лишь в том, что вместо газовой фазы при окислении в процессе отжига SIM0X структур используется твердая фаза.

Обнаружено также влияние градиента температуры на форму профиля концентрации кислорода. Установлено, что при vT>0 (обратная сторона образца имеет более высокую температуру) граница раздела фаз SlO^-Sl с лицевой стороны образца является более резкой, чем аналогичная граница при vr<0 (лицевая сторона образца имеет более высокую температуру). В рамках рассмотренной выше модели это объясняется тем, что избыточный кислород, расположенный со стороны лицевой границы S102-Sl, диффундирует в температурном пола к поверхности образца.

На основании полученных результатов также сделан вывод о положительном значении теплоты переноса кислорода в кремнии.

Во второл разделе исследовано влияние градиента температуры на перекристаллизацию пленок кремния на диэлектрике с помощью плавки лазерным лучом (ZMR).

В качестве подложки использовались кремниевые пластины диаметром 100 мм ориентации (100) с термически выращенным окислом толщиной 0,8-1,5 мкм. Методом ззьмйческого осавдония из газовой фазы в реакторе пониженного давления при температуре 923 К наносился поликремний. Затем он термически окислялся таким образом, чтобы Ееокисленная толщина поликремния составляла 0,3-0,5 мкм. На часть образцов дополнительно наносилась пленка с более жесткими термомеханическими свойствами толщиной 0,2 мкм, например частично стабилизированного Zr02 (ЧСДЦ). Процесс плавки осуществлялся сфокусированным в полосу излучением непрерывного лазера на основе АИГ:Ш+. Подложка дополнительно нагревалась галогеновыми лампами до температуры 1573 К однократным проховдением зоны вдоль поверхности пластины. После плавки пленки ЧСДЦ и покровной SI02 удалялись.

Исследование перекристаллизованных слоев кремния на S102 осуществлялось с помощью профилометра типа Talystep "Taylor Hobson" (Англия) и сканирующего акустического микроскопа (САМ) типа Elsam "Leltz" (Германия).

Обнаружен волновой рельеф на поверхности пленки кремния в направлении движения зоны после лазерной рекристаллизации КНИ-структуры. Сравнение рельефов поверностей показало, что период волны с пленкой ЧСДЦ, в зависимости от условий, перекристаллизации, отличается (увеличивается или уменьшаемся) от периода волны без пленки ЧСДЦ. Следовательно, наличие .жесткой "крышки" заметно изменяет период волнового рельефа на поверхности перекристал -лизованного кремния.

Для выяснения роли покровного окисла в формировании неровностей на поверхности рекристаллизованной пленки кремния были сделаны теоретические оценки напряжений, возникающих на поверхности и в объема покровного окисла в зоне воздействия лазерного излучения. Показано, что основным напряжением является растягивающее напряжение в покровном окисле (а.п40 МПа), обусловленное локальным перепадом температуры (ДГ*>100 К). Это напряжение создает избыточное давление в расплаве (Др«10 кПа), поверхность которого имеет форму выпуклого мениска. Сдвиговое напряжение (т;«40 Па) и поверхностное напряжение на линии раздела трех фаз (7з1«1 н/м) незначительны.

Был предложен механизм возникновения волнового рельефа на поверхности кремния после лазерной рекристаллизации, связанный с существованием коле^ат^л—РС*"1^ г^о^-^с^^1 — ^-сплав-покровной

1~1~>~ Тя Г'. Г, ¡7 -р 1.М1 и 1 .111. . . I. т . / - Ттг? «ТГТТПТТ??« ~ - ■ . . ц-. —------------------—.

»шчи» ш ымимииилмми ио.^ тиилых. I¿1¿у лщ. XО, ±

давление в расплаве периодически изменяется, то периодически будет изменяться и ширина зоны, так как температура плавления кремния зависит от его давления. Изменение ширины зоны при выпуклом мениско на границе расплав-покровной окисел приведет к формированию волнового рельефа. Механические свойства покровного окисла как части колебательной системы оказывают влияние на период колебаний и кривизну выпуклого мениска расплава, что приводит к изменению периода и амплитуды волнового рельефа в направлении движения зоны. Этим можно объяснить изменение периода неровностей при нанесении на покровной окисел более жесткой пленки ЧСДЦ. Механизм возбуждения и поддержания колебательного процесса может быть связан как с процессами, происходящими в расплаве, так и с процессами деформации и течения в покровном окисле.

Рассмотрен запуск механизма колебаний ширины зоны расплава на примере положительной флуктуации мощности лазера. Подобный эффект

может бить вызван замедлением скорости перемещения зоны или уменьшением по тем или иным причинам ширины зоны расплава. Показано, что флуктуации мощности лазера в конечном итоге приводят к изменениям напряжения в покровном окисле, радиуса кривизны мениска, изменению давления в расплаве, и как следствие, ширины зоны. Возникновение автоколебаний в системе расплав-покровной окисел связано со сдвигом фаз мевду изменением толщины покровного окисла, проявляющего вязко-упругие свойства, и шириной зоны.

Шестая глава посвящена исследованию новых возможных применений термомиграции в микроэлектронике.

В первол разделе кратко рассмотрена кинетика термомиграции. При ее описании учтено влияние термоднфузии растворенного вещества на процесс движения расплавленной зоны. На основе предложенной модели подучены выражения для скоростей кристаллизация у и

* 1С

растворения у

1+-

С, Ъ?1 1

т к

Ук =

I кТ-(С--С^)} _р

(С^чу <я» 1

\Хчт

1

<30 и,.

1+

-I

Ш К

V =

ЙГ2 (Ср-С^).

1чТ

(С3~€ ) йТ 1

_2_а

в

<ЗС 11.

(25)

• где соответственно С® и С® - концентрации атомов кремния в растущем и растворяющемся кристалла, и (Р равновесные концентрации кремния в расплаве на границах кристаллизации и растворения, Ск и Ср - действительные концентрации кремния в расплаве на ее границах, и - кинетические коэффициенты процессов кристаллизации и растворения (1<ц.<103 см/с-град). Скорости кристаллизации и растворения зависят от значения теплоты перекоса О*. Отмечено, что

- щ

при малых градиентах температуры вторыми слагаемыми в числителях формул (25) можно пренебречь. В этом случае указанные выражения совпадают с известными формулами теории Тиллера.

Во второл разделе исследован способ создания сквозных канальных волноводов на основе термомиграции алюминия. Процесс их изготовления состоял в следующем. В качестве исходного материала использовались кремниевые пластины га-типа проводимости типа КЭФ4,5. На лицевую поверхность напылением наносили слой алюминия толщиной 2-3 мкм и затем с помощью фотолитографии формировали матрицу

1

О

алюминиевых, рамок прямоугольной формы. После операции погружения алюминия в кремний в вакуумной камере- при температуре 1000 °С производилась термоградиентная обработка при температуре 1050-1100 °С. При этом обратная сторона пластины находилась при более высокой температуре. В результате жидкая зона алюминия / перемещалась в направлении градиента температуры, оставляя за собой перекристаллизовванную область р+-типа. проводимости в форме прямоугольной оболочки.

Показано, что концентрация свободных носителей в области п-типа проводимости будет больше, чем в области р+-типа проводимости. Следовательно, область кремния п-типа проводимости может служить сердцевиной волновода, а область р+-тша проводимости - оболочкой.

Учитывая, что минимальный коэффициент поглощения кремния соответствует длине волны л.=1,3 мкм, для этой длины волны были рассчитаны основные параметры волновода. К их числу относятся: показатель преломления сердцевины пе=3,5; разность показателей преломления Ап=0,01; критический угол 8с=5°; апертурный угол 8тах=15°; числовая апертура N¿=0,26.

Определена зависимость эффективности оптической связи от расстояния между соседними светодиодами. Показано, что применение сквозных канальных Еолноводов поЕызает эффективность оптической

¿'и^иГп пала Чсграо

свободное пространство.

В третьел разделе рассмотрен практический подход к осуществлению оптической связи. Показана возможность применения сквозных канальных волноводов для передачи оптического сигнала по вертикали в случае трехмерной компоновки прибора, состоящего из стопки кремниевых пластин.

Разработана структура, включающая Уюбразную канавку, которая позволяет совместить между собой сквозной канальный и обычный полосковый волноводы. Показана возможность создания трехмерного ответвителя для разделения или соединения оптического излучения.

Отмечено, что для осуществления оптической связи необходимы интегральные источники и приемники излучения. Материалом для них могут служить соединения типа А3В5 и А*Вб. При этом на качество данных материалов влияют буферные слои, расположенные мевду этими материалами и кремниевой подложкой.

Были выращеш пленки 1пР методом эпитаксии из металлоорганических соединений и пленки пленки ВаР2 методом горячей стенки на кремниевых подложках с ориентацией (100).

Исследование буферных слоев для материалов на основе А3В5 и АДВ6 осуществлялось с помощью рентгеновского анализатора на установке типа "ДРОН-ЗМ" (Россия). Анализ экспериментальных данных показал, что полученные слои имеют структуру близкую к монокристаллической и поэтому могут служить основой для получения эпитаксиальных пленок А3В5 и А4Вб.

В четвеутол разделе раскрыт способ сборки и герметизэци ИС с использованием термомиграции. Механические свойства

монокристаллического кремния были сопоставлены с основными свойствами материалов, используемых в конструкциях корпусов ИС. Из сравнительного анализа этих свойств был сделан вывод о возможности использования кремния для изготовления корпусов.

Способ сборки и герметизации ИС с использованием термомиграции алюминия включает следующие основные технологические этапы: 1) Формирование сквозных проводящих каналов методом термомиграции. В этом случае на кремниевой подложке тг-типа проводимости в области контактных площадок формируются участки из алюминия. Затем методом термомиграции образуются перекристаллизованные области р+-типа проводимости через кремниевую пластину. Затем производится механическая обработка, включающая шлифовку и полировку обеих сторон кремниевой пластины для удаления остатков алюминия и неровностей. 2) Изготовление КС. Здесь с использованием обычной технологии или с применением термодиффузионных процессов, расмотренных выше, формируются элементы ИС в местах, предусмотренных топологией. Далее выполняются контакты и металлизация. Особенность этой операции состоит в том, что здесь необходимо использовать тугоплавкие материалы, например силициды {№>1г, Т1312) и т.п. После выполнения этих операций по периметру каждой' ИС наносится слой алюминия. Таким образом получается кристалл-основание корпуса. 3) Изготовление крышки корпуса. Для этого используется еще одна кремниевая пластина, в которой с одной стороны методом обычного травления формируются углубления. Эти углубления должны топологически совпадать с расположением ИС на первой пластине при их совмещении. 4) Герметизация. Две пластины совмещают и соединяют мевду собой методом термомиграции. В

результате образуется неразъемное монолитное соединение кремниевых пластин. 5) Изготовление выводов. В местах выхода проводящих каналов на всей поверхности обновременно можно сформировать, например шарики припоя. 6) Разделение пластины. С использованием обычной технологии производится разделение пластины на отдельные ИС.

Показана перспективность герметизации предложенным способом не только обычных полупроводниковых - ИС, но также вакуумных ИС на примере микротриода.

В Заключении сформулированы основные результаты и вывода работы, которые состоят в следующем:

1. На основе теории Онзагера выполнено упрощение в общем виде термодинамического уравнения для потока тепла. Показано, что не только диффузионный поток Еещества, обусловленный градиентом концентрации, переносит тепло в изотермической системе, но и термодиффузионный поток вещества, вызванный градиентом температуры,

гтр-рлхггчгчжт шогг ттгч тэ т*гзг*ггЛ1р7тагтптпатггтг>гтио^ г>ттг»то**£»

При наличии в системе градиента концентрации растворенного вещества и градиента температуры результирующий поток тепла равен суше двух потоков: один поток тепла связан с потоком вещества, вызванным градиентом концентрации, а другой - с потоком вещества, вызванным градиентом температуры. Мерой переносимого тепла указанными потоками вещества являются изотермическая и неизотермическая теплоты переноса соответственно.

2. С помощью неизотермической теплоты переноса установлены новые связи между коэффициентами Онзагера. Это позволило для двухкомпонентной системы выразить отношения между кинетическими коэффициентами через теплоты переноса. Получено выражение для определения неизотермической теплоты переноса. В отличие от изотермической теплоты переноса, которая определяется из условия стационарности потока вещества (эффекта Соре), неизотермическая теплота переноса определяется из условия стационарности потока тепла (эффекта Дюфура).

Установлена связь между диффузионной теплопроводностью и переносом тепла в системе. Коэффициент теплопроводности пропорционален изотермической и неизотермической теплотам переноса, а также зависит от концентрации примеси и ее коэффициента диффузии. С увеличением температуры коэффициент теплопроводности возрастает и

при достаточно высокой концентрации примеси вклад диффузионной теплопроводности в общую теплопроводность системы наряду с решеточной и электронной теплопроводностью может быть заметным.

3. В рамках модели случайных блуаданий получены выражения для изотермической и неизотермической теплот переноса, которые отличаются между собой на величину кТ. Отмечено, что термодинамическому определению теплоты переноса соответствует кинетическое объяснение. Теплота переноса представляет собой результирующую энергию, которую переносят атомы вещества при скачке. Вклад в результирующую энергию дают два конкурирующих процесса, один из которых обусловлен изменением частоты скачков диффундирующих атомов, а другой - изменением концентрации вакансий.

Показано, что по значению отношения частоты скачков атома к концентрации вакансий можно определить направление перемещения атомов вещества при наличии градиента температуры. Теплота переноса зависит от энергии связи комплексов точечных дефектов, в частности, комплексов вакансия - примесный атом. Кроме того, теплота переноса существенно зависит от состояния вакансий в кристаллическом твердом теле. Отклонение вакансий от равновесия приводит к наблюдаемому различию теплот переноса для монокристаллов и поликристаллов.

Теоретически определены теплоты переноса фосфора и бора в кремнии, а также кислорода в двуокиси кремния. Полученные значения теплоты переноса для фосфора и бора составляют +14,3 ккал/г-атом и +11,1 ккал/г-атом соответственно, а для кислорода +39,8 ккал/г-атом. Это означает, что указанные элементы в температурном поле должны перемещаться в направлении более холодной стороны образца.

4. Впервые предложена математическая модель процесса роста сплошного термического окисла на поверхности кремния при наличии в системе градиента температуры, в рамках которой получено выражение для толщины окисла как функции времени. Показано, что при одинаковой средней температуре в системе можно увеличивать или уменьшать скорость роста окисла за счет изменения величины и направления градиента температуры. Разработана методика экспериментального определения теплоты переноса кислорода в двуокиси кремния.

Впервые получены экспериментальные зависимости толщины окисла от времени окисления для противоположных направлений

градиента температуры. Установлено, что при отрицательном градиенте температуры окисел растет быстрее, чем при положительном. Это объясняется тем, что в температурном поле кислород перемещается в направлении более холодной стороны образца. Экспериментально определенное значение теплоты переноса- кислорода в двуокиси кремния равно +47,7 ккал/г-атом.

Впервые предложена математическая модель локального роста термического окисла на поверхности кремния при наличии в системе градиента температуры. На основе известных эмпирических зависимостей для локального окисления кремния в изотермических условиях получены теоретические профили окисла в ваде "птичьего клюва" при наличш градиента температуры. Показано, что с помощью температурного поля можно уменьшить длину "птичьего клюва" по сравнению с аналогичной длиной, получаемой при изотермическом процессе.

5. На основе решения уравнения Фика для случаев постоянного и переменного источников в полубесконечное тело при постоянном градиенте температуры и с коэффициентом диффузии, зависящим от координаты, получены выражения, . описывающие распределение концентрации. Отмечено, что указанные выражения отличаются от обычных, имеющих вид егГс-функции или функции Гаусса. Показано, что с помощью изменения величины и направления градиента температуры можно управлять распределением концентрации вещества. Разработана методика экспериментального определения теплоты переноса для нестационарного случая.

Экспериментально получены концентрационные профши фосфора и бора в кремнии для противоположных направлений градиента температуры. Отмечено влияние направления градиента температуры на форму распределения концентрации. Установлено, что фосфор и бор в процессе термодиффузии перемещаются в направлении более холодной стороны образца. Экспериментально определенные значения теплот переноса фосфора и бора в кремнии равны + 22,1 ккал/г-атом и +33,6 ккал/г-атом соответственно.

6. Предложены механизмы эпитаксии из газовой и твердой фаз при наличии градиента температуры. Получены выражения, описывающие процесс эпитаксии кремния в температурном поле. Скорость роста эпитаксиального кремния из газовой и твердой фаз зависит от величины и направления градиента температуры. Показана возможность

отжига аморфных и монокристаллических имплантированных слоев кремния, а также образования эпитаксиальных силицидов в температурном поле.

7. На основе физической модели описан процесс отжига ЗШОХ-структур при наличии градиента температуры. Показано, что величина градиента температуры в скрытом слое ЗЮ2 значительно больше градиента температуры, измеряемом в эксперименте. В этом случае достаточно подвижный свободный кислород в зависимости от направления градиента температуры перемещается к одной или другой границе раздела окисел-кремний и вступает в реакцию с кремнием. Благодаря этому происходит уменьшение количества свободного кисло-пола и ^^ели^^ни^ т^пцнпы скрытого окисла.

Экспериментально обнаружено влияние величины и направления градиента температуры на форму профиля распределения концентрации скрытого кислорода в кремнии. Установлено, что толщина скрытого слоя двуокиси кремния увеличивается с более холодной стороны образца. Это указывает на положительное значение теплоты переноса кислорода. Отмечено, что при положительном направлении градиента температуры профиль кислорода с лицевой стороны двуокиси кремния является более резким, чем при отрицательном градиенте.

8. Экспериментально установлено, что при формировании КНИ структур методом перекристаллизации поликремния зонной плавкой (ЕМ?.) с помощыи лааераого луча поверхность перекристаллизованной пленки кремния принимает периодическую структуру в направлении движения зоны. Предложен механизм образования такого волнового рельефа. Выполнены оценки напряжений, возникающих в области расплавленной зоны. Показано, что основной вклад в формирование выпуклого мениска дает растягивающее напряжение в покровном окисле, обусловленное перепадом температуры в зоне. Механические свойства покровного окисла как части колебательной системы, оказывают влияние на период и кривизну выпуклого мениска. Это приводит к изменению периода и амплитуды волнового рельефа.

9. В кинетической модели термомиграции учтена термическая диффузия атомов в расплавленной зоне. Получены выражения для скорости растворения и кристаллизации, которые включают этот фактор. Показано, что на указанные скорости влияет теплота переноса. В зависимости от знака теплоты переноса могут увеличиваться или уменьшаться скорости растворения и

кристаллизации. Сделана оценка вклада термической диффузии в скорость движения зоны. Установлено, что при достаточно больших. градиентах, температуры вклад термической диффузии становятся значительным и его необходимо учитывать. .Однако при малых градиентах температуры влиянием термической диффузии можно пренебречь. В этом случае, выражения для -указанных скоростей принимают обычный вид.

10. Установлено, что при термомиграции алюминия в кремний я-типа проводимости увеличивается показатель преломления перекристаллизованной области р+-типа проводимости. Предложена технология изготовления сквозных канальных волноводов методом термомиграции алюминия. Рассчитанные - значения параметров таких волноводов и определение эффективности оптической связи с их применением позволяют сделать вывод о перспективности их использования для передачи оптического сигнала в трехмерных ИС и компьютерах с оптической связью. Экспериментально изучена возможность создания интегральных светодиодов и фотодиодов на основе материалов А3Б5 и А4Бб. Показано, что эпитаксиально выращенные буферные слои на кремниевой подложке, обладают необходимыми свойствами для изготовления оптоэлектронных приборов.

11. Проанализированы основные свойства монокристаллического кремния и материалов, применяемых при изготовлении корпусов ИС. Установлено, что свойства крошил не уступают свойствам других материалов. Разработан способ сборки и герметизации микроэлектронных приборов с применением термомиграции алюминия. Показано, что он является перспективны?»? в технологии изготовления корпусов как обычных полупроводниковых, так и вакуумных интегральных схем. Корпуса таких приборов и ИС представляют собой монолитную конструкцию, в которой основание корпуса, крышка и выводы выполнены из кремния, а технологический процесс сборки ИС позволяет осуществлять групповую герметизацию.

12. Разработана, изготовлена и апробирована в эксплуатации экспериментальная установка для исследования неизотермических процессов в системах на основе кремния. Она позволяет проводить исследования по окислению кремния, термодиффузии легирующих примесей, отжигу структур на основе кремния и термомиграции. Конструктивные принципы, заложенные в экспериментальную установку могут быть использованы при создании промышленного оборудования для

термоградиентной обработки полупроводниковых пластин.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горбунов Ю.И., Рудаков В.И. Диффузия атомов вещества при нали -чии градиента температуры // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. 1988. Вып.4(128). С.70-72.

2. ВиЗапоу D.V., Churllov А.В., Rudakov Y.I. Study of SIMOX Layers Spatially-structural Homogeneity // 3rd European Vacuum Conference (EUC-3), Sept. 23-27, 1991: Conference Handbook / Technlsche Unlversltat Wien - Austria, 1991. A28&

3. Рудаков В.И. Теплота переноса в чистых кристаллах // ФТТ, 1992. Т.34. Вып.12. C.3S71-367S.

4. Гладкий С.В., Рудаков В.И., Саунин И.В., Сергеева Я.В. Свойства

пленок рь,__, легированных индкем // Неорганические

материалы, 1§93Т Т.29. Л 3. С.333-336.

5 Rudakov V.I., Posternak V.V. Channel waveguides through, wafers for optically coupled 3D Integrated circuits // Proc. of the 23rd European Solid - State Device Research conference. ESSDERC'93. 13-16 Sept. 1993. Grenoble-Prance / Ed. Frontleres-Prance, 1993. P.791-794

6. Кривелевич C.A., Маковийчук В.А., Рекшнский В.И., Рудаков В.И. Симакин С.Г. Формирование S10 - слоя в кремнии, имплантиро -

BQHHOM ТЯТС'ПГО"М // ВЫСОКОЧИС^ЫО ВЗЩЗСТБи. 1293. j«" и. С.1 <*"-150.

7. Дснисенко Ю.И., Преображенский М.Н., Рудаков В.й. Исследование структурных неодпородностей в рекристаллнзовзннсм лазером кремнии-на-диэлектрике с помощью акустической микроскопии // Физика и химия обработки материалов, 1994. JS 4-5. С.19-22.

8. Денисенко Ю.И., Постернак В.В., Преображенский М.Н., Рудаков В.И. Неразрушаящяе измерения характеристик КНИ-структур оптическими и акустическими методами // Микроэлектроника, 1994. Т.23, вып.6, С.39-45.

9. Rudakov V.I., Posternak V.V. Three dlmensionl Integrated Infrared sensor // Book of Abstracts. Eurosensors V111 Conference. Sept. 25-28, 1994. Toulouse-France / 1994-. P.415.

10. Бабарыкина В.П., Рудаков В.И. Формирование фосфида индия на кремнии для интегральных светодяодов // Письма в ЖТФ, 1995. Т.21, ВЫП.24, С.20-24.

11. Мачалов Б.В., Рудаков В.И. Установка для термоградиентной обработки полупроводниковых пластин // ПТЭ, 1996. J6 2. С. 155-157.

12. Rudakov V.I, Ovcharov V.V. Analltlcal solution of the diffusion equation for an extended source of infinite extent at constant temperature gradient // Int. J. Heat Mass Transfer,

1997. V.40, J6 9. P.2231-2234.

13. Денисенко Ю.И., Овчаров В.В., Рудаков В.И. Особенности форми -рования волнового рельефа ■ при лазерной рекристаллизации структур "кремний на изоляторе"//Физика и химия обработки материалов, 1997. J6 3. С.13-16.

14. Rudakov V.I., Ovcharov V.V. Analltlcal solution of the dlffu -slon equation for an instantaneous plane source at constant temperature gradient // Int. Comm. Heat. Mass. Transfer, 1997.

15. Постернак В.В., Рудаков В.И. Неразрушающий метод локального контроля толщин слоев КНИ-структур // Субмикронные технологии: Труды ФГИАН / М.: Наука, 1995. Т.9. С.68-73.

16. Буянов Д.В., Рудаков В.И.,. Чурилов А.Б. Исследование однород -ности SIMOX структур на кремниевых пластинах диаметром 100 мм //Труды ИМ РАН / Ярославль, 1992. С.64-72.

17. Babaryklna V.P., Rudakov V.I., Volnov M.V., Zimin S.P. Electri

„,. rtrtl -»-»1-, л + nwm- тч _ ti ru nv.A "DV.iTi - гч л

jJi. W^^C ui piiw livwv/iiij ± и л. f t, j. CU1U. lUiC^lUg ""

Transducers. EUROSENSORS XI, Sept. 21-24, 1997. Warsaw, POLAND / Warsaw University of Technology. 1997. V.1, 1P2-12. P.23i-234.

18. Рудаков В.И., Ермилов C.H. Термодиффузия из постоянного источ -ника в полуограниченное тело // Проектирование, конструирование и технология СБИС: Сб. научн. тр. / Моск. ин-т электрон, техн.

II А ЛЛ4 П 1 АЛЛ

—т., 1Э31. О. I оо-1 .

19. Рудаков В.И., Ермилов С.Н. Термодиффузия из переменного источ -ника в полуограниченное тело // Физика и моделирование технологических процессов, маршрутов и элементов СБИС: Сб. научн. тр. / Моск. ин-т электрон, техн. - М., 1991. С.5-12.

20. Киргетов В.П., Рудаков В.И. Модель локального окисления кремния при наличии градиента температуры // Труды ИМ РАН / Ярославль, 1992. С.14-23

21. Рудаков В.И., Мочалов Б.В. Механизм отжига SIMOX-структур в

температурном поле // Электроника и информатика-97: Тез. докл. второй Всероссийской научно-техн. конф. с международным участием. Зеленоград 25-2S ноября 1997 / Моск. ин-т электрон, техн. М., 1997. 4.1. С.126.

22. Рудаков В.И., Пересветов H.H. Способ герметизации полупроводниковых интегральных схем // Авт. свид-во Я 1393249, 1988.

23. Андреев О.В., Кривелевич С.А., Рудаков В.И. Вакуумный микро триод. Заявка РФ гё 95100407/25, решение о выдаче патента РФ от 20.02.97 г.