Геттерирование в микроэлектронике. Геттерирование в твердом теле есть явление извле¬чения примеси или структурных дефектов из очищаемых (так называемых активных) участков твердого тела в контактирующую инородную фазу (геттер) — пассив¬ный (стоковый) участок образца или вакуум.
Термин «геттерирование» заимствован из известного в вакуум¬ной технологии геттерного процесса — очистки газовой среды от нежелательных компонент путем адсорбции, абсорбции либо связывающих химических реакций на поверхности или в объеме дисперсных слоев химически активных веществ (Ва, Ti, Та, Zr, Cr, La, Nb и некото¬рых других). Механизмы геттерирование в твердом теле и ваку¬уме, как правило, имеют различную природу. Процесс генерирования в твердом теле включает три основных этапа: 1) активацию геттерируемых частиц — перевод их в состояние, обеспечивающее способность к простран¬ственному перемещению; 2) масс-перенос; 3) реакции взаимодействия с геттером, сопровождающиеся закреп¬лением или выносом частиц за пределы образца.
По типам активации геттерирование в твердом теле разделяется на термическое, химическое и радиацион¬ное. Первый процесс требует наиболее высоких темпера¬тур, третий возможен даже при криогенных температу¬рах. Таким образом, радиационное геттерирование перс¬пективно для низкотемпературных технологий в микро¬электронике.
Перенос масс при генерировании может происхо¬дить за счет диффузии (в том числе радиационно-стиму-лированной), дрейфа (в поле электрических или меха¬нических напряжений) и динамических процессов (рис. 2). Геттер Полупроводник объемное поверхностное планарное Рис. 2. Механизмы генерирования в полупровод¬никах По типу расположения геттерных областей поглоще¬ние примесей может быть объемным или собственным (поглощают встроенные в объем твердого тела, термиче¬ски активированные преципитаты генерирующих фаз типа Si02, SiC, Si3N4, Gd, редкоземельных элементов, металлов и др.); поверхностным (внешним), когда слои геттера (Si3N4, Si02, SiOxPi-x, Pb и др.) осаждаются на поверхность, а перенос масс протекает через объем твер¬дого тела; планарным (масс-переиос происходит по по¬верхности твердого тела или вдоль границы раздела контактирующей фазы). Поскольку поверхностная ми¬грация происходит значительно легче объемной, планарный процесс генерирования на несколько порядков ве¬личины быстрее прочих, поэтому он приемлем в усло¬виях низкотемпературных технологий.
Поглощение примесей может быть обусловлено по¬вышенным коэффициентом растворимости их в геттере по сравнению с очищаемым твердым телом (фазовое геттерирование) или наличием участков твердого тела, имеющих дефектную структуру и способных, поэтому, активно поглощать более простые дефекты и связывать примесь (структурное геттерирование). Применение геттерирования в микроэлектронике позволяет изготавли¬вать интегральные схемы высокого качества со значи¬тельной степенью интеграции (106—108). Узловым моментом в геттерирование является введе¬ние быстро диффундирующих точечных дефектов междоузельного типа, обычно атомов матрицы.
Встречая на своем пути примесь, эти атомы вытесняют ее с «на¬сиженных» мест, переводя в метастабильное состояние.
Для этого состояния характерна довольно высокая подвижность атомов.
Увлекаемые механическим полем, атомы примеси двигаются к геттеру, где затем и за¬крепляются (растворяются и т. п.). На поверхности и границах раздела фаз эти процессы протекают гораздо легче, чем в объеме. Именно там легче эмитировать большое количество междоузельных атомов; масс-перенос идет по механизму миграции, а для стоков имеются такие недоступные в объеме пути, как уход в газовую фазу, испарение и т. п. Таким образом, активное ис¬пользование поверхности и границы раздела становятся основой новой перспективной технологии - стимулиро¬ванного низкотемпературного генерирования. 2 Микроэлектроника 2.1 Трехслойная система — базовая структура микроэлектроники Структуры «металл—диэлектрик—полупроводник» упоминаются нами настолько часто, что читатель уже понял: эта структура, и современная интегральная элек¬троника неразрывно связаны. Без этих систем невоз¬можно изготовить не только интегральную схему, но и очень многие современные дискретные полупроводнико¬вые приборы.
В частности, слой диэлектрика нужен и для предот¬вращения попадания в полупроводник нежелательных веществ при изготовлении прибора и в процессе его эксплуатации, и в качестве изолятора при приложении электрического поля к полупроводнику, и как запоми¬нающая среда, и как среда с очень точно регулируемой способностью пропускать носители заряда при опреде¬ленных условиях. Очень перспективным направлением развития техно¬логии интегральной электроники является создание при¬борных структур со встроенными геттерными областями различных типов.
Такие области при их правильном из¬готовлении будут поглощать, и связывать нежелатель¬ные дефекты и примеси не только в процессе изготовле¬ния микросхем, но и в процессе их эксплуатации в экстремальных условиях (например, при перегрузке, по¬явлении ионизирующих излучений), «залечат» образо¬вавшиеся дефекты и предотвратят выход прибора из строя.
К созданию такой «иммунной системы» интеграль¬ных схем ученые уже приступили, однако ее реализация (в особенности для пекремниевых технологий) — дело будущего, а пока можно лишь с уверенностью утверж¬дать, что большинство из создаваемых геттерных обла¬стей должно располагаться в приповерхностной области полупроводника, т. е. именно там, где создаются полу¬проводниковые приборы, где вероятность возникновения дефектов и появления загрязнений максимальна, Каковы же пределы микроминиатюризации в инте¬гральной электронике? Ведь усовершенствование техно¬логий, разработка новых физических принципов работы приборов, как и всякая отрасль знания, не имеют пре¬дела своего развития.
Значит ли это, что можно до бес¬конечности увеличивать степень интеграции микросхем, уменьшая размеры их элементов? Нет, ибо вступают в действие законы, ограничивающие этот рост. Любое кристаллическое твердое тело образовано ато¬мами, располагающимися в узлах кристаллической ре¬шетки.
Очевидно, что создавать в кристалле элемент с размерами, меньшими расстояния между атомами ре¬шетки, в принципе невозможно.
Это расстояние, равное для кремния 5,4.3-10-4 мкм, и определяет абсолютный предел миниатюризации элементов интегральных схем. 2.2