Полупроводниковые пластины. Методы их получения

Полупроводниковые пластины. Методы их получения

Введение

Современные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы

представляют собой чрезвычайно сложные устройства, отдельные компоненты

которых имеют размеры не более доли микрометра. Изготовление таких

устройств осуществляется на монокристаллических полупроводниковых

пластинах с использованием фотолитографии. Полупроводниковые пластины,

предназначенные для формирования изделий микроэлектроники, характеризуются

сoвepшенной атомной структурой и высокой геометрической точностью

обеспечения этих качеств разработана оригинальная технология механической,

химической и химико-механической обработки моно-кристаллических материалов,

создано прецизионное оборудование, зачастую не имеющее аналогов в других

отраслях народного хозяйства. Обработка полупроводниковых пластин требует

высокой квалификации операторов и обслуживающего персонала,

неукоснительного соблюдения технологической дисциплины и обязательного

поддержания особой чистоты применяемых материалов и вакуумной гигиены в

производственных помещениях.

Фотолитографические процессы - важнейшая составная часть технологии

изготовления микроэлектронных приборов. Именно они обеспечивают

формирование элементов структур с субмикронными размерами и хорошую их

воспроизводимость. На современном обо- рудовании достигается разрешающая

способность, позволяющая получать несколько тысяч линий на миллиметр.

Необходимым условием качественной фотолитографии является наличие

бездефектных высокоточных фотошаблонов.

§ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОРОВ И МИКРОСХЕМ

Общая схема технологического процесса

Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов

относится к 1957-1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по

оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу

планарной ( plane - плоскоcть ) технологии полупроводниковых приборов и

интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время она является доминирующей

технологией полупроводникового производства.

Планарную технологию применяют для создания твердотельной структуры,

содержащей полупроводниковый кристалл с определеннным распределением

легирующих элементов ( p-n - переходов ), систему внутренних соединений с

диэлектрической изоляцией, а также для формирования внешних выводов этой

структуры и ее защиты.

Общая технологическая схема процессов производства полупроводниковых

приборов показана на рис. 1. Она включает комп лексы подготовительных

процессов, процессов групповой и индивидуальной обработки.

В комплекс подготовительных процессов входят: инженерное проектирование

схемы, разработка ее топологии и соответствующего комплекта фотошаблонов,

а также ряд заготовительных операций - подготовка полупроводниковых

подложек, корпусов приборов и др.

Формирование самой структуры прибора происходит при групповой

обработке, которая состоит из процессов окисления, диффузии примесей,

эпитаксии, вакуумного напыления, фотолитографии и технохимической

обработки. Развернутая схема групповой обработки пластины при формировании

прибора на примере эпитаксиально-планарной структуры представлена на рис.

2. Показанная на схеме часть технологического процесса изготовления

приборов связана с одновременным получением множества идентичных структур

(кристаллов) на одной полупроводниковой пластине. Цикл групповой обработки

заканчивается получением межсоединений на поверхности кристаллов пластины.

В индивидуальную обработку входят сборочно-контрольные процессы

(разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в

корпусах, приварка выводов, герметизация, контроль, механические и

климатические испытания,окраска, маркировка и упаковка). Отдельные этапы

технологического процесса групповой обра

ботки - фотолитография, диффузия, контроль и др. - включают до

[pic]

Рис. 1 Общая схема процессов производства полупроводниковых приборов

десяти операции, выполняемых по типовым операционным картам и

технологическим инструкциям. Общее число операций изготовле- ния ИМС (без

учета подготовительных операций) может достигать 150 ,а продолжительность

полного цикла обработки составляет около 100 ч.

Особенностью конструкции полупроводниковых приборов является

сверхминиатюрность их элементов. Толщина диэлектрических и металлических

покрытий этих приборов обычно не превышает 1 мкм, а толщина активных

областей структур составляет десятые доли микрометра. Так, толщина базы СВЧ-

транзистора может составлять 0,1 , а эмиттера - О,15 мкм .

[pic]

Рис.2 Схема технологического процесса изготовления эпитаксиально-планарной

структуры ИМС (групповая обработка) с транзисторами n-р-n -типа

Следует также учитывать, что при изготовлении этих приборов производят

большое число сложных последовательных операций над одним и тем же

кристаллом, что сказывается на проценте выхода годных приборов. В

полупроводниковом производстве суммарный процент выхода годных приборов

зависит от процента их выхода на отдельных этапах технологического цикла:

Nсумм= (N0/100)n*100, где No - средний процент выхода годных структур на

единичной операции технологического цикла, n - число oпераций цикла.

Таким образом, если технологический цикл изготовления прибора содержит 100

операций,то даже при N0=95 % Nсумм=1,6 %. Поэтому следует помнить , что

процент выхода годных полупроводниковых приборов и их качество в

значительной степени зависят не только от совершенства технологии, но и

от мастерства рабочего, выполняющего ту или иную технологическую операцию.

§ 2. Характеристика технологических операций

Подготовка полупроводниковых подложек.

Эта операция относится к заготовительным процессам изготовления

приборов, Слитки полупроводниковых материалов диаметром 100 мм и более

режут перпендикулярно их продольной оси на пластины толщиной до 1 мм. После

этого пластины шлифуют до устранения неровностей и нарушенного слоя. При

шлифовке последовательно применяют более тонкие шлифовальные составы, чтобы

свести к минимуму нарушения кристаллической структуры пластины. В

планарной технологии все элементы полупроводниковых приборов создаютcя в

приповерхностной области подложки, поэтому качество и состояние поверхности

пластины имеют важное значение. Поверхность пластины полируют для

окончательного снятия с нее дефектов и доведения ее до необходимой чистоты.

Для этого применяют различные способы полирования: механический,

химический, химико-механический, электрохимический и плазмо-химический.

Для окончательной подготовки рабочей поверхности пластины служит

химическая обработка, назначение которой заключается в удалении

загрязнений, о статков оксидов и в обезжиривании. В технологическом

процессе изготовления приборов химическую обработку подложек используют

многократно. Подготовка подложек, как правило, не связана с выпуском

конкретных приборов и практически не влияет на длительность периода запуска

прибора в производство, однако во многом определяет возможности технологии.

Особенностью планарной технологии является повторение одно-типных

технологических операций, которые можно проследить по технологической схеме

процесса, приведенного на рис. 2. Изменение количества таких

последовательностей дает возможность производить любые планарные приборы

(от простых диодов до сложных интегральных схем). При этом основа операций

часто остается неизменной, а изменяются только технологические режимы и

фото-шаблоны, используемые для фотолитографии. Каждая последовательность

формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область,

контакты и т. д. Последовательность изменения структуры

полупроводникового кристалла при формировании энитаксиально-планарного n-

р-n - кремниевого транзистора показана на рис. 3. Исходная эпитаксиальная

структура представляет собой кремниевую пластину 2, на поверхности которой

выращен эпитаксиальный слой кремния 1

[pic]

Рис. 3. Технологическая схема изготовления n-р-n-эпитаксиально-планарного

кремниевого транзистора: а - исходная эпитаксиальая структура, б -

структура с защитной оксидной пленкой, в - фотолитография и диффузия базы,

г - окисление, фотолитография и диффузия эмиттера, д - формирование

металлических контактов; 1 - эпитаксиальный слой, 2 - кремниевая

пластина, 3 - защитная пленка оксида кремния, 4 - р-область базы. 5 - n

-область эмиттера, 6 - металлические контакты

толщиной несколько микрометров. Поверхность эпитаксиальной структуры

покрывают защитной пленкой оксида кремния 3 и с помощью фотоли тографии в

ней вытравляют окно. Диффузией акцепторной примеси в эпитаксиальном слое

формируют базовую р-область 4. Затем окно снова покрывают пленкой оксида и

в ней вновь вытравляют окно для создания эмиттерной n -области 5 диффузией

донорной примеси. Заключительным этапом является формирование металлических

контактов 6 ко всем областям транзисторной структуры. Получение

диэлектрических пленок. Диэлектрические пленки используют в качестве

маскирующих покрытий при диффузии, а в готовых приборах и схемах - в

качестве защиты и изоля- ции элементов и линий металлизации.

Диэлектрические пленки являются одним из наиболее ответственных элементов

структуры приборов и во многих случаях определяют механизм отказов и,

следовательно, надежность приборов. Любые неоднородности диэлектрических

пленок как при маскировании, так и при защите почти неизбежно приводят к

дефектам и отказам приборов. Эксплуатационным требованиям достаточно

полно отвечает диоксидил кремния (Si02), получаемый при нагревании

поверхности ремния в присутствии кислорода (термическое окисление). Пленка

SiO2 обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими

параметрами. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте. SiO2 в то же время

практически стабилен по отношению к смесям HF+HNO3, что позволяет

эффективно использовать его в качестве маски при селективном травлении

кремния. Термическое окисление применимо только к кремнию. Окисление

кремния проводят в однозонных диффузионных печах со специальными

газораспределительными устройствами при 50-1200° С. Рост оксида происходит

на границе раздела оксид-кремний, следовательно, окислитель (кислород или

молекулы воды) диффундирует сквозь растущую оксидную пленку к его границе,

где вступает в реакцию с кремнием. В связи с этим скорость роста оксидной

пленки со временем падает, как это показано на рис. 4..

[pic]

Рис 4. Зависимость толщины x0 оксида от времени окисления t при постоянных

температуре и давлении газообразного окислителя.

В зависимости от окислительной среды различают термическое окисление

в сухом кислороде, в атмосфере водяного пара и комбинированное.

Термическое окисление кремния в сухом кислороде характеризуется наибольшей

продолжительностью и более высоким качеством пленки по сравнению с

окислением в атмосфере водяного пара, о чем свидетельствует ее высокая

плотность (2.27 г/см3). В этом случае для получения пленки SiO2 толщиной

1 мкм при 1300°С требуется 15 ч. Процесс окисления кремния в атмосфере

водяного пара ( гидротермальное окисление) харак- теризуется большими

скоростями роста и возможностью получения толстых (2-3 мкм) пленок SiO2.

Основным недостатком процесса окисления в атмосфере водяного пара является

низкое качество получаемых пленок и, как следствие, ухудшение их защитных

свойств. Низкая плотность пленок (около 2 г/см3) связана с их пористостью

из-за наличия водорода и гидроксильных групп ОН. Поэтому термический оксид

обычно создают при комбинированных режимах окисления, чередуя этапы

выращивания пленок в сухом и влажном кислороде. Наиболее часто окисление

проводят в три стадии: в сухом кислороде, увлажненном -для ускорения

процесса и наращивания достаточно толстой пленки и вновь - в сухом.

Термическое окисление связано с воздействием высокой температуры, что

приводит к диффузионному размыванию (изменению геометрии) формируемой

структуры прибора. Для снижения тем пературы применяют способы осаждения

пленок SiO2 из летучих кремнийорганических соединений при 700°С, причем

они уни версальны почти для всех полупроводников. Большое распространение

получил способ пиролитического осаждения диоксида кремния с использованием

тетраэтоксисилана, пиролиз (т. е. термическое разложение) которого

протекает согласно реакции

Si (ОС2Н5)4 Si02 +4C2H4 + 2Н20

Скорость осаждения пленки при 750°С составляет 0,03 мкм/мин. Кроме SiO2 в

планарной технологии в качестве защитного и мас кирующего покрытия

используют пленки нитрида кремния Si3N4, являющиеся более плотными и

непроницаемыми по отношению к диффузиантам, чем пленки SiO2. Основным

способом получения пленок нитрида кремния является пиролитическое

осаждение, реакция которого протекает при взаимодействии силана и аммиака:

3SiH4 + 4NH3=Si3N4+ 12Н2

Осаждение Si3N4 происходит при 900°С. Возможно также исполь- зование

реакции взаимодействия четыреххлористого кремния с аммиаком

3SiCl4+4NH3 Si3N4+ 12НСl

Нитрид кремния осаждают на установках эпитаксиального на- ращивания

или в диффузионных однозонных печах, снабженные специальным устройством

газораспределения. Скорость осаждения нитрида кремния зависит от

температуры и расхода силана и аммиака. Фотолитография. Электрические и

эксплуатационные характеристики изготовляемых микроэлектронных приборов

неразрывно связаны с размерами элементов и их взаимным расположением.

Фотолитография является основным и практически единственным способом

прецизионной локальной микрообработки, применяемым для получения

необходимых размеров и конфигураций элементов ИМС (от единиц до десятых

долей микрометра). Фотолитография состоит из совокупности целого ряда

физических, фотохимических и химических процессов и используется для

созания защитного рельефа (маски) на поверхности полупроводниковой

пластины. Для этого применяют специальный светочувствительный мматериал -

фоторезист, обладающий устойчивостью к воздействию агрессивных средств

(кислот, щелочей) . Тонкий слой фоторезиста наносят на полупроводниковую

подложку и производят засветку (экспонирование) через специальный

инструмент - фотошаблон, имеющий прозрачные и непрозрачные для

используемого света участки, определяющие топологию прибора. Под действием

света в фоторезисте протекают фотохимические реакции, которые в зависимости

от типа используемого фоторезиста приводят к усилению или ослаблению его

растворимости в определенных химических растворах. Мосле проявления на

поверхности подложки остается защитный слой фоторезиста, повторяющий

позитивное или негативное изображение фотошаблона. Последующее

использование защитного рельефа в зависимости от технологического этапа

изготовления прибора заключается в травлении материала подложки на

незащищенных фоторезистом участках или нанесение какого-либо материала на

эти участки. Так , при проведении фотолитографии по слою SiO2 при травле-

нии проводят селективное удаление диэлектрика над теми участками

полупроводника, где должны быть созданы диффузионные структуры, а при

фотолитографии по слою металла формируют топологию контактных площадок,

межсоединений, пассивных элементов.

В процессе изготовления приборов операции фотолитографии многократно

повторяют (до 10-12 раз в сложных ИМС). При этом на каждом этапе

изображение используемого фотошаблона должно с высокой точностью

совмещаться с рисунком на подложке, полученным на предыдущих операциях

фотолитографии. Таким образом, создается геометрия планарного прибора, его

активных областей, контактов, соединений и т. д.

Для проведения фотолитографии используют механическое, оптико-

механическое и химическое оборудование, к которому предъявляют повышенные

требования.

Диффузия примеси.

Целью проведения диффузии является внедрение атомов легирующего

элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования р-n-

перехода на глубине Xпер. В этом случае концентрация введенной примеси

оказывается рав ной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике.

Раз меры диффузионной области в плане определяются размерами окна в слое

диэлектрика, так как скорость диффузии примеси в SiO2 и Si3N4 на несколько

порядков ниже, чем в полупроводнике.

Различные способы диффузионного легирования различаются фазовым

состоянием легирующей примеси (газообразное, жидкое, твердое), подводом

примеси к подложке и конструкцией установок. В большинстве случаев диффузию

проводят в окислительной атмосфере. Температура диффузионного легирования

кремния 1050- 1200°С.

Диффузия в полупроводник в большинстве случаев происходит за счет

перемещения диффундирующих частиц, по вакантным узлам кристаллической

решетки. Кроме этого, возможны прямой обмен атомов местами в узлах

кристаллической решетки и перемещение атомов по междоузлиям.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно

высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при

температуре диффузии. Для кремния в каче стве диффузантов чаще всего

используют элементы III и V групп таблицы Д. И. Менделеева. Основной

донорной примесью является фосфор, который по сравнению с часто

применяемыми сурьмой и мышьяком имеет более высокую скорость диффузии в

кремний.

В качестве акцепторных примесей используют алюминий, галлий, индий и

бор. Бор применяют наиболее часто, поскольку он обладает наиболее высокой

предельной растворимостью.

Одним из эффективных способов создания р-n-переводов является ионное

легирование. Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией,

направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его

кристаллическую решетку. При этом ионы вызывают каскад смещений атомов

полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых

кристаллическая структура решетки нарушена.

Для получения высокой концентрации активных примесей (помещения их в

узлы кристаллической решетки) и восстановления кристаллической структуры

полупроводника после ионного легирования требуемся отжиг, который проводят

при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах

приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и

упорядочения структуры.

Процесс ионного внедрения характеризуется энергией ионов, плотностью

тока ионного пучка, дозой облучения. Изменяя пара метры ионного пучка,

можно управлять профилем распределения концентрации внедренных ионов и с

высокой точностью изменять концентрацию примесей в полупроводнике.

Страницы: 1, 2, 3