Полупроводниковые пластины. Методы их получения

Эпитаксия.

Это технологический процесс выращивания тонких монокристаллических

слоев полупроводника на монокристалличеcкиx подложках. Материал подложки в

процессе выращивания играет роль затравочного кристалла, а получаемая

пленка является продолжением ее структуры. Характерной особенностью

эпитаксии является возможность формирования слоев с заданными электро-

физическими свойствами и геометрическими размерами. Так, если в процессе

эпитаксиального выращивания наряду с атомами полупроводника в росте пленки

участвуют и атомы легирующего элементa, то на границе раздела пленка -

подложка можно получить p-n-переход или изотопные переходы n + -n и р +

-р. Таким образом, в тонких слоях (2-10 мкм) эпитаксиально-планарных

структур создаются элементы ИМС, а подложка толщиной 500 мкм яв ляется

несущей конструкцией.

При создании приборов диффузионным легированием число диффузионных

процессов может быть ограниченно. Так, при проведении трех диффузионных

процессов трудно получить нужную концентрацию примеси в нижнем слое, в

особенности если он должен иметь высокое удельное сопротивление, т. е.

низкую концентрацию носителей.

Гораздо легче получать слои с требуемым распределением примесей, если

они вводятся в процессе выращивания эпитаксиальных пленок. Равномерное

распределение примесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, легко

достигается при эпитаксии. При совместном использовании эпитаксии и

диффузии улучшаются эксплуатационные характеристики полупроводниковых

приборов.

Процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника заключается в

осаждении его атомов на подложку, в результате чего на ней вырастает слой,

кристаллическая структура которого подобна структуре подложки.

Эпитаксиальный слой обладает теми же структурными дефектами, что и

подложка, поэтому для получения надежных полупроводниковых приборов

первостепенное значение имеют чистота и структурное совершенство материала

подложек.

Наибольшее распространение в производстве полупроводниковых приборов

получили способы газофазной и жидкофазной эпитаксии. Способ газофазной

эпитаксии, являющийся наиболее простым в условиях серийного и массового

производства, используется для формирования тонких слоев кремния и сложных

полупроводникор типа АIIIВV, а жидкофазной -в основном для получения

этатакси- альных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе (нап

ример, GaAs-GaAlAs).

При формировании кремниевых эпитаксиальных пленок спосо бом газофазной

эпитаксии используют реакции восстановления тетрахлорида (SiCl4) или

трихлорсилана (SiHCl3) над кремниевыми подложками. Парогазовая смесь

соответствующего состава прохо дит над нагретой до определенной температуры

подложкой, осаждаясь на ней в виде монокристаллического слоя. Обычно такие

процессы осуществляют в кварцевых реакторах. При восстановле нии

тетрахлорида в качестве газа-носителя используют водород. При этом

происходит следующая реакция:

SiCI4+2H2 4HCI+Si

Для качественного проведения процесса осаждения температура подложек

должна быть 1100-1300°С. При получении эпитаксиальных слоев с заданными

свойствами в состав парогазовоя смеси вводят легирующую добавку.

При формировании эпитаксиальных пленок арсенида галлия способом

жидкофазной эпитаксии сначала получают расплав полу проводникового

материала с соответствующими легирующими добавками, а затем подложку

подводят к поверхности раствора-расплава. После установления теплового

равновесия между ними их охлаждают по соответствующему закону для

эпитаксиального осаждения пленки на подложку.

Металлизация полупроводниковых структур.

Этот способ ис пользуется для формирования межсоединений в ИМС,

создания контактных площадок и состоит из двух этапов - металлизации и

фотолитографии по металлической пленке. Нанесение металлизации в планарной

технологии осуществляется либо термическим испарением, либо катодным

распылением.

При вакуумном термическом испареении металл нагревают электрическим

током или бомбардируют его электроннонным лучом. Перенос потока испаряемых

частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и

определяется длиной свободного пробега молекул. При соударении атомов

испаряемого вещества с поверхностью подложки происходит конденсация -

процесс перехода вещества из газообразной в твердую или жидкую.

Качество напыленных пленок зависит от степени очистки, температуры

подложки, а также от скорости испарения, вакуума, геометрии системы и др.

Катодное распыление целесообразно применять для получения пленок

тугоплавких металлов (с высокой температурой испарения) -титана, вольфрама,

молибдена. Для этого в вакуумную камеру напускают при небольшом давлении (

1,0 Па ) газ и, подавая постоянное или переменное напряжение 3-5 кВ, между

элек тродами зажигают тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные

ионы газа ускоряются по направлению к катоду, выполненному из распыляемого

материала, и бомбардируют его. Атомы распыляемого катода осаждаются на

полупроводниковую подложку и образуют сплошную металлическую пленку.

Фотолитографией по металлической пленке формируют требуемую

конфигурацию проводников межсоединений и контактные площадки для

присоединения схемы к внешним выводам корпуса .

После окончания групповой обработки пластины со сформированными

структурами поступают на сборку приборов (индивидуальная обработка).

Сборка.

В процессе сборки разделяют пластины на отдельные кристаллы, монтируют

кристалл в корпус, присоединяют электрические выводы к контактным площадкам

кристалла и выводам корпуса и герметизируют корпус.

Чтобы гарантировать надежную работу изготовленных приборов, их

подвергают испытаниям, которые проводят согласно техни ческим условиям на

каждый тип прибора. Испытания включают комплекс операций: измерение

электрических параметров и классификацию приборов, определение механической

и климатической стойкости приборов, проверку их герметичности и определение

гарантийного срока службы.

Кроме того, в процессе изготовления приборов постоянно проводится

межоперационный контроль, позволяющий следить за ста бильностью

технологического процесса. При необходимости коррек тируют режимы обработки

(температуру, концентрацию, время). По данным межоперационного контроля

партия пластин может оказаться забракованной и снятой с дальнейшей

обработки.

Даже при нормальном протекании процесса часть кристаллов групповой

пластины оказывается дефектной (из-за проколов в за щитных масках,

локальных загрязнениях и пр.). Эти кристаллы обнаруживаются лишь на

завершающем этапе групповой обработки - после получения межсоединений и

периферийных контактов, когда осуществляется контроль прибора на

правильность функционирования. В дальнейшем эти кристаллы отбраковываются и

не поступают на сборочные линии.

§ 3. Общие сведения об изготовлении подложек

Для получения качественных приборов и иатегральнх схем необходимы

однородные пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений.

Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической

структуры. Оченьа жесткие требования предъявляют к геометрическим

характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскосткость

поверхности имеет определяющее значение при формировании структур приборов

методами оптической литографии. Важны и такие геометрические параметры

пластина как прогиб, непараллельность сторон и допуск по толщине.

Для обеспечия требуемых параметров разработаны различные

технологические варианты изготовления пластин. В зависимости от

характеристик обрабатываемого материала варианты изготовлениян имеют свои

особенности, но, как правило, состоят ят из одних и тех же базовых

операций, применяемых в различных сочетананиях. К базовым операциям

относят предварительную подготовку разделение его на пластины, шлифование

пластины, свободным или связанным абразивом, формирование фасок, химческое

травление пластин, их полирование и очистку.

Предварительная подготовка слитка заключается в калибровке его

наружного диаметра до заданного размера, стравливании нарушенного слоя,

изготовлении базовых и дополнительных срезов, подготовке торцовых

поверхностей с заданной кристаллографической ориентацией. Затем разделяют

слиток на пластины определнной толщины. Целью последующего шлифования явля

ется выравнивание поверхности отрезанных пластин, уменьшение разброса их

толщин, формирование однородной поверхности. Фаски с острых кромок

пластин снимают для того, чтобы удалить сколы, образующиеся при резке и

шлифовании. Кроме того, острые кромки пластин являются концентраторами

напряжений и потенциальными источниками структурных дефектов, которые могут

возникнуть при перекладывании пластин и прежде всего при термических

обработках (окислении, диффузии, эпитаксии).

Химическим травлением удаляют нарушенные приповерхностные слои, после

чего полируют обе стороны пластин или ту сторону, которая предназначена

для изготовления структур приборов. После полирования пластины очищают от

загрязнений, контролируют и упаковывают.

При изготовлении приборов способами наиболее распространенной

планарной технологии и ее разновидностей используют только одну, так

называемую рабочую сторону пластины. Учитывая значительную трудоемкость и

высокую стоимость операций по подготовке высококачественных пластин с

бездефектной поверхностью, некоторые варианты изготовления пластин

предусматривают несимметричную, т. е. неодинаковую, обработку их сторон.

На нерабочей стороне пластины оставляют структурнодеформированный слой

толщиной 5-10 мкм, который обладает свойствами геттера, т. е.

способностью поглощать пары и газы из корпуса полупроводникового прибора

после его герметизации за счет очень развитой поверхности.

Дислокационная структура слоя, обращенная к рабочей по верхности

пластины, обладает способностью притягивать и удерживать структурные

дефекты из объема полупроводникового кристалла, что значительно повышает

надежность и улучшает электро-физические параметры приборов. Однако

несимметричная обработка сторон пластин создает опасность их изгиба.

Поэтому глубину нарушений на нерабочей стороне следует строго

контролировать.

Использование в полупроводниковом производстве пластин

стандартизованных размеров позволяет унифицировать оборудование и оснастку

на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая

контролем параметров готовых структур. В отечественной и зарубежной

промышленности нашли применение пластины диаметром 40, 60, 76, 100, 125,

150 и 200 мм. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют

калибровку выращенного проводникового монокристаллического слитка.

[pic]

Рис. 5 Калибровка слитка круглым шлифованием: а,б - переферией и торцом

круга,1 - ситок, 2 -шлифовальный круг

§ 4. Калибровка слитков

Как правило, калибровку производят способом наружного круглого

шлифования алмазными кругами на металлической связке (рис. 5). При этом

используют как универсальные круглошлифовальные станки (рис. 5, а), так и

специализированные станки (рис. 5, б), позволяющие производить калибровку

с малыми радиальными силами резания. Если при калибровке кремниевого

слитка на универсальном круглошлифовальном станке глубина нарушенного

слоя достигает 150-250 мкм, то применение специализированных станков

обеспечивает снижение глубины нарушенного слоя до 50-80 мкм. Калибровку

чаще всего проводят в несколько проходов. Сначала за первые черновые

проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 160-250

мкм, затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью

40-63 мкм.

[pic]

Рис. 6. Примеры взаимного расположения базовых и вспомогательных срезов

на пластинах кремния:

а-КДБ 10 (Ill), б-КЭФ 4,5 (100); в-КЭФ 4.5 (Ill). а-КДБ 10 (100). Д-КЭФ 7,5

(111). е-КЭФ (НИ, ас-КЭФ 0,5 (Ill), з-КЭФ 0.2 (111). н-КЭФ 2 (Ill), к-КЭС

0,01 (111)

После калибровки Цилиндрической поверхности на слитке выполняют базовый и

дополнительные (маркировочные) срезы. Базовый срез делают для ориентации и

базирования пластин на операциях фотолитографии. Дополнительные срезы

предназначены для обозначения кристаллографической ориентации пластин и

типа проводимости полупроводниковых материалов. Примеры расположения

базовых и дополнительных срезов показаны на рис. 6, а - к. Ширины базового

и дополнительных срезов регламентированы и зависят от диаметра слитка.

Базовый и дополнительные срезы изготовляют шлифованием на

плоскошлифовальных станках чашечными алмазными кругами по ГОСТ 16172-80 или

кругами прямого профиля по ГОСТ 16167-80. Зернистость алмазного порошка в

кругах выбирают в пределах 40/28-63/50 мкм. Один или несколько слитков

закрепляют в специальном приспособлении,ориентируя необходимую

кристаллографическую плоскость параллельно поверхности стола станка. В

зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (например, воду).

Срезы можно также изготовлять на плоскодоводочных станках с применением

абразивных суспензий на основе .порошков карбида кремния или карбида бора

с размером зерен 20-40 мкм. Шлифование свободным абразивом позволяет

уменьшить глубину нарушенного слоя, но при этом снижается скорость

обработки. Поэтому наиболее широко в промышленности распространено

шлифование цилиндрической поверхности и срезов алмазными кругами.

После шлифования слиток травят в полирующей смеси азотной, плавиковой и

уксусной кислот, удаляя нарушенный слой. Обычно стравливают слой толщиной

0,2-1,0 мм. После калибровки и травления допуск на диаметр слитка

составляет 0,5 мм. Например, слиток с номинальным (заданным) диаметром 60

мм может иметь фактический диаметр 59,5-60,5 мм.

§ 5. Разделение полупроводниковых слитков на пластины

Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов представляет

собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков, которые

необходимо разделить на заготовки-пластины. Из многочисленных способов

разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или

наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим

травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в

настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с

внутренней режущей кромкой, набором полотен и бесконечной лентой.

А л м а з н ы й к р у г с в н у т р е н н е й р е ж у щ е й к р о

м к о й.

(AКВP) обеспечивает разделение слитков достаточно большого диаметра (до

200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями

дорогостоящих полупроводниковых материалов. Круг АКВР представляет собой

металлический кольцеобразный корпус толщиной 0,05-0,2 мм, на внутренней

кромке которого закреплены алмазные зерна, осуществляющие резание. Корпус

изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей

с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для

корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т.

Формообразование ленты производят способом холодной прокатки, в

результате чего достигается прочность на разрыв до 1760-1960 МПа.

Недостатком холодной прокатки является возникновение у ленты анизотропии

механических свойств, что объясняется деформацией и направленной

ориентацией зерен, образующих структуру стали. Анизотропия текучести ленты

в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном ей, препятствует

равномерному натяжению корпуса круга. Уменьшить анизотропию можно

совершенствованием исходной структуры стали до прокатки и применением

термообработки.

Алмазосодержащий режущий слой на внутренней кромке корпуса формируют

гальваностегией. В электролотическую ванну посещают корпуса, защищенные

изоляторами по всей поверхности, исключая внутреннюю кромку. Ванну

заполняют электролитом и засыпают в нее алмазный порошок требуемой

зернистости. При пропускании постоянного электрического тока между анодом и

корпусами на внутренней кромке осаждается металлический слой, захватывающий

и прикрепляющий к корпусу алмазные зерна. осаждаемый металлический слой

называется связкой. Чаще всего это никель или кобальт. Толщина режущей

кромки в два-три раза больше толщины корпуса.

Размер алмазных зерен, закрепленных на внутренней кромке, выбирают в

зависимости от физико-механических свойств разрезаемого полупроводникового

материала (таердости, хрупкости, способности к адгезии, т. е. прилипанию к

режущей кромке). Как правило, для резки кремния целесообразно использовать

алмазные зерна с размером основной фракции 40-60 мкм. Зерна должны быть

достаточно прочными и иметь форму, близкую форме правильных кристаллов.

Германий и сравнительно мягкие полупроводниковые соединения типа А3В5

(арсенид галлия, арсенид индия,антимонид индия, фосфид галлия и др.)

целесообразно резать алмазами, размер зерен основной фракции которых 28-40

мкм. Требования к прочности этих зерен не столь высоки, как при резке

кремния. Монокристаллы сапфира, корунда, кварца, большинства гранатов

разделяют высокопрочными кристаллическими алмазами размер зерен основной

фракции которых 80-125 мкм.

В связи с тем что диаметры слитков и механические свойства разрезаемых

материалов разнообразны, используют круги АКВР различных типоразмеров.

Характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл-З.

Схему резки полупроводникового слитка кругом АК.ВР показана на рис.

22. Круг 1 растягивают и закрепляют на барабане 2, который приводят во

вращение вокруг своей оси. Слиток 3 вводят во внутреннее отверстие круга

АКВР на расстояние, равное сумме заданной толщины пластины и ширины

пропила. После этого производят прямолинейное перемещение слитка

относительно вращающегося круга в результате чего отрезается пластина.

Отрезанная пластина может падать в сборный лоток или же удерживаться

после полного прорезания слитка на оправке 4 клеящей мастикой 5. После

сквозного прорезания слитка его отводят в исходное положение и круг

выходит из образованной прорези. Затем слиток снова перемещают на заданный

шаг во внутреннее отверстие круга и повторяют цикл отрезания пластины.

Обязательным условием качественного разделения слитка на пластины

является правильная установка и закрепление круга

Т а б л и ц. а 1. Основные технические данные алмазных отреаных кругов с

внутренней режущей кромкой

[pic]

AКBP. Высокая прочность материала корпуса круга и его способность к

Страницы: 1, 2, 3