Диффузионные процессы в тонких слоях пленок при изготовление БИС методом толстопленочной технологии

Причем только недавно были созданы экспериментальные методы , позволяющие изучать эффекты переноса вещества в столь малых пространственных масштабах.

Основная цель доклада рассмотреть диффузионные явления в тонких пленках , а также современные методы их исследования.

Основные трудности анализа возникают , когда толщина пленки лежит в интервале от ~ 10 до нескольких микрометров.

Совершенно очевидно, что исследование реакций в тонких пленках по большей части стимулируются требованиями технологии. Эти требования могут возрастать по мере усиления ограничений , накладываемых на материал и размер пленок. В самом деле в области интегральных схем мы подходим к рубежу , когда пленки по своим размерам будут близки к атомным расстояниям. Общие сведения о диффузии по границам зерен . Под диффузией по ГЗ буквально можно понимать движение атомов, происходящие в области границы раздела между двумя зернами. В теории диффузии многие исследователи считают эту область , в которой скорость диффузии велика почти двухмерной , с границей порядка межатомного расстояния . Однако в более широком смысле диффузии по ГЗ – это такой процесс , когда диффузия по границам происходит совместно с решеточной диффузией . Диффузия по кристаллической решетке необходима для определения экспериментального профиля концентрации при исследование ГЗдиффузии . Дело в том , что число атомов диффузианта , находящегося непосредственно на ГЗ , обычно очень мало и его невозможно обнаружить , а потому измеряется концентрация таких атомов , диффундирующих по кристаллической решетке от границы в объем зерен.

Степень влияния диффузии по кристаллической решетке на движение вещества вдоль ГЗ определяется режимом кинетики , который преобладает в данных условиях . Следуя Харрисону , мы будем различать три типа кинетики : А , В , С . Отличительной особенностью кинетики типа А является сильная диффузия по кристаллической решетке , которая приводит к перекрыванию диффузионных полей соседних зерен . Границы зерен показаны как вертикальные полоски , отстоящие друг от друга на расстояние 2L . В расчетах боковой диффузионный поток I x принимают равным нулю посредине между границами при x=L. В случае В : ГЗ считают изолированными и боковой поток принимают равным нулю уже на сравнительно малых расстояниях от границ . В случае кинетики типа С диффузия по кристаллической решетке совсем незначительна и движение атомов происходит только внутри самих ГЗ . При измерение ГЗ-диффузии в массивных образцах всегда исходят из кинетики типа В . Эксперименты по определению профилей концентраций в массивных образцах пока дали мало прямых указаний на существование кинетики типа А и С . С этой точки зрения большой интерес представляют исследования диффузии в тонких пленках , поскольку очень большая плотность дефектов позволяет наблюдать в них при условие определенного типа отжига любой из трех типов кинетики . Рис 1. Кратко рассмотрим метод теоретического расчета диффузии для кинетики типа В . В данном случае имеем конечный образец типа В . Давно установлено , что скорость диффузии в тонких пленках выше , чем в массивных образцах . Увеличение скорости диффузии обусловлено двумя очевидными причинами : уменьшением длины диффузии , увеличением плотности путей пролегающих по ГЗ . Будем рассматривать случай диффузии очень малых примесей в тонких пленках , состоящих из столбчатых зерен . Общее уравнение диффузии имеет такой вид : С l – концентрация в кристаллической решетке. С b – концентрация в границе зерна. С 1 – концентрация в кристаллической решетке , обусловленная обычной плоской диффузией по решетке . С 2 – концентрация в решетке , обусловленная диффузией из ГЗ . С l = C 1 +C 2 /d D – коофициент диффузии . В нашем случае можно дать такое описание модели . - здесь и далее оператор Набла - здесь и далее знак дифференциала D l * 2 * C l = C l t - вне границы зерна D b * 2 * C b = C b t - внутри зерна C l y y l = 0 -условие полного отражения примеси от тыльной стороны поверхности пленки C(x , 0 , t) = C 0 * C(x , l , t) y = 0 C 1 = 1 4 1 m 1 2 . m 1 sin (2 m 1) . exp 2 m 1 . 2 = . C 2 2 C 0 0 1 . 1 d 1 m sin 2 m 1 . = = . ( ) 2 m 1 2 . . 1 2 m 1 . erfc 1 2 sqrt 1 . . 1 k . . Величина 0 определяется выражением 0 1 = sqrt D l . t , а величина 2 m 1 (2 m 1) . 2 0 = . Усредненная по сечению отдельного зерна концентрация диффундирующего вещества , которую в дальнейшем для краткости будем называть интегралом по сечению , дается выражением : * Экспериментально измеряемый профиль , определяется суммой величин в силу уравнения : Теоретический профиль концентрации дан ниже на рисунке : 1 d . C 2 8 . sqrt D l . t . C 0 d 0 . 1 . 1 d 1 m sin 2 m 1 . = = . exp sqr 2 m 1 . sqrt 1 . exp x 2 sqrt( ) . x . erfc(x) 2 m 1 . C 1 C 2 C l C 1 C 2 d = Рис 2 . Общие сведения о определение профиля концентрации методом радиоактивных индикаторов . Одна из методик исследования ГЗ диффузии основана на определение профиля концентрации диффузианта методом радиоактивных индикаторов . Такой метод позволяет с высокой точностью прямым путем измерять истинное распределение диффундирующего вещества обычно не превышает 1 мкм , и следовательно , химический состав и степень чистоты остаются неизменными с точностью до 10 -4 % . При измерение профиля концентрации радиоактивного изотопа в пленках , требуется снимать слои толщиной менее 1 мкм , поскольку толщина всей пленки измеряется микрометрами , а глубина диффузии еще меньше . Значит чисто-механические средства здесь невозможны . Поэтому используют метод электрохимического послойного травления и метод удаления микрослоев путем распыления ионами . Рассмотрим второй метод . Метод удаления микрослоев путем распыления ионами Ar . Установка для удаления микрослоев путем распыления ионами Ar в плазме ВЧ-разряда была разработана в лаборатории фирмы IBM , а затем такие установки применялись в целом ряде различных ситуаций . Схема установки представлена на рисунке ниже.

Камера с образцом , подвергшемся диффузии , откачивается до давления 10 -7 мм.рт.ст.

Последовательное удаление слоев исследуемого образца , параллельных плоскости диффузии , достигается за счет распыления вещества ионами Ar в плазме ВЧразряда , возникающего при подаче на образец ВЧ напряжения с двойной амплитудой 1000В и частотой 13.56 МГц. Чтобы уменьшить ориентированно-зависимое распыление и преимущественное травление зерен , эффективную мощность разряда поддерживают так , чтобы она не превышала ~ 0.4 Вт. на 1 см 2 площади катода . Распыляемое вещество образца осаждают на круглых алюминиевых пластинках . Для ускорения процедуры предусматриваются поворотные многоанодные держатели , которые позволяют за одну откачку камеры снять шесть последовательных слоев . Главное условие ровного удаления вещества – это стабильность источника ВЧ-мощности и газового потока Ar .Для этого ВЧ-напряжение стабилизируют с точностью до 1% при помощи электронного стабилизатора , а давление Ar поддерживают на уровне 20( +-1 )*10 -4 мм.рт.ст. при помощи регулятора с претензионным натекателем . Очень важное значение имеет также контроль за геометрией образца в процессе распыления . Для большинства металлов достигается скорость распыления ~ 1A*c -1 . Следовательно , изменением длительности распыления одного слоя от 30 сек. до нескольких минут, можно с высокой точностью измерять профиль концентрации радиактивного изотопа шагами по 30 A . Толщина слоев определяется путем последовательного взвешивания на весах . По полному уменьшению массы образца между откачками камеры вычисляют глубину проникновения диффузианта . Важной особенностью описанной установки для ионного распыления является то , что на ней можно наносить на исследуемый образец радиактивный изотоп . При этом можно предварительно очистить поверхность образца , особенно от окисной пленки , а затем не подогревая и не нарушая вакуума нанести на него радиоактивный изотоп . При этом нужно предварительно очистить образец и нанести на него изотоп не нарушая вакуума . Схема такой установки приведена на рисунке 3 . Рис 3. Установка для удаления микрослоев тонких пленок путем распыления ионами Аr . Данные исследования профилей концентрации методом радиоактивных индикаторов . На рисунке представлены типичные профили диффузии радиактивного изотопа в поликристаллическом образце Au . Этот образец содержит зерна с большеугловыми ГЗ и малые зерна с диаметром ~ 5мкм. с малоугловыми границами .Следовательно , рассмотрение радиактивного изотопа в этом случае должно определяться сначала диффузией по кристаллической решетке , а затем диффузией по субзернам и потом ГЗ-диффузией . Эти области обозначены на рисунке как 1 , 11 , 111. Если в условиях эксперимента диффузионная длина окажется значительно меньше диаметров зерен и субзерен , и в таких условиях , что реализуется кинетика В , то оказывается возможным вычислить коэффициенты диффузии по всем трем процессам . Длина диффузии по кристаллической решетке поддерживается в этих экспериментах в интервале от 100А до 1000А . Эти значения намного меньше диаметра субзерен ( ~ 5 мкм. ) . Кроме того , условием отжига обеспечивалось существенное отличие диффузионных длин в субзернах и ГЗ от диффузионной длины в решетке . Благодаря этому профиль диффузии можно путем подгонки кривых разделить на три участка , на которых концентрация изменяется как y 2 , y 6/5 – где y глубина . Выбор степени в каждом случае определяется гауссовой формой профиля диффузии радиоактивных атомов в кристаллической решетке , и формой решения Уипла-Сузуки , описывающих перенос вещества . Таким образом , профили в поликристаллических массивных образцах Au описывается выражением : Где С – концентрация атомов на расстояние у от поверхности истока , а p , m , n и P , M , N – коэффициенты экспоненциальных зависимостей . Коэффициентом Р определяется величина D l ( P=1/4D l t ) , а коэффициенты М и N в соответствие с решением Уипла-Сузуоки для долгого по времени источника определяются коэффициенты диффузии по ГЗ или по субзернам . При больших b в числе веществе коэффициент диффузии по дефектам определяется формулой : C = p exp ( P y 2 ) m exp M y 6 5 + n exp N y 6 5 + Здесь индекс b соответствует коэффициенту диффузии либо по субзернам , либо по ГЗ в зависимости от того , какая величина , M или N , определяется вторым членом в выражении предыдущем . Все эти формулы справедливы для кинетики типа В . 0.661 lnCb y 6 5 5 3 4 Dl t 1 2 Db = Список литературы : 1 Дж. Поут.