Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Технологія виготовлення мікроелектронних чутливих елементів
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2004
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Метрологія
Група:
МВ-43
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет„Львівська політехніка”
Кафедра метрології,
стандартизації та сертифікації
КУРСОВА РОБОТА
з технології конструювання засобів вимірювання
Тема: Технологія виготовлення мікроелектронних чутливих елементів
Зміст.
Вступ.…………………………………………………………………………………...3
Епітаксійна технологія виготовлення мікросхем……………………………………4
Підготовка діелектричних підкладок…………………………………………….5
Епітаксія кремнію на ізолюючих підкладках……………………………………6
Гетероепітаксійні шари……………………………………………………………8
Хімічне осадження з газової фази…………………………………………………...10
Дифузійна технологія………………………………………………………………...12
Термічна дифузія…………………………………………………………………13
Іонопроменева дифузія…………………………………………………………..14
Оксидне і нітридне маскування……………………………………………………..16
Термічне окислення……………………………………………………………...16
Нітридне маскування…………………………………………………………….18
Металізація……………………………………………………………………………20
Методи отримання металічних вакуумних конденсатів………………………21
Багатошарова металізація………………………………………………………..25
Технологія нанесення і оброблення шарів………………………………………….28
Метод іонно-плазменного розпилу……………………………………………...28
Хімічні методи осадження шарів………………………………………………..29
Лазерні технології у виготовленні мікросхем……………………………………...30
Лазерна епітаксія…………………………………………………………………30
Лазерне легування………………………………………………………………..31
Лазерно-стимульоване осадження………………………………………………31
Огляд сучасних технологій напівпровідникового виробництва…………………..33
Висновок………………………………………………………………………………34
Вступ.
Мікросхеми входять в склад будь-якого радіоелектронного і електронно-вимірювального приладу, без яких неможливий світ високих технологій і подальший прогрес. Тому якість і характеристики цих при визначаються застосованими в них мікросхемами, а як наслідок велике значення має технологія їх виготовлення.
Мікросхемою (інтегральною мікросхемою, інтегральною схемою) називають функціонально закінчений електронний вузол (модуль), елементи і з'єднання в якому конструктивно нероздільні і виготовлені одночасно в єдиному технологічному процесі на загальній основі – кристалі. Напівпровідникові мікросхеми мають в своїй основі монокристал напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію), в поверхневому шарі якого за допомогою літографії і вибіркового легування створюються технологічні елементи, а з'єднання між ними формуються на поверхні кристалу за допомогою технології тонких плівок.
Число елементів в інтегральній мікросхемі визначають її степінь інтеграції. Найбільш високою ступінню інтеграції володіють цифрові інтегральні схеми з регулярною структурою.
Після створення перших інтегральних кремнієвих мікросхем їх конструкція і технологія неперервно і швидко розвиваються і вдосконалюються. Сьогодні ми налічуємо багато технологічних процесів виготовлення інтегральних мікросхем. Важливою частиною кожного технологічного процесу є спосіб електричної ізоляції компонентів інтегральної мікросхеми.
Рис. Схема технологічного процесу виготовлення напівпровідникових ІС.
1. Епітаксійна технологія виготовлення мікросхем.
Процес, який використовує гетероепітаксію кремнію, є досить перспективним в плані ізоляції. Крім того, що в таких структурах повністю забезпечується діелектрична ізоляція компонентів, вони ще володіють двома важливими властивостями, які роблять перспективними їх застосування. По-перше, шар кремнію може бути нанесений дуже тонким, порядку одної десятої мікрона. Це дозволяє отримати ізолюючі p-n переходи дуже малої площі і підвищити цим швидкодію мікросхем. По-друге, підкладка цієї структури прозора в широкому діапазоні довжин хвиль, включаючи видимий, що дає можливість використовувати її при створенні різноманітних оптоелектронних пристроїв.
Найбільше поширення отримали процеси епітаксії напівпровідників з газової фази за допомогою хімічних реакцій. При цьому використовуються реакції типу
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl.
Рис. Схема механізму епітаксії кремнію по реакції.
Реакція протікає, як правило, на поверхні. В результаті реакції утворюються атоми вільного кремнію, які створюють епітаксійний шар.
Розвиток методів епітаксії, особливо гетероепітаксії (тобто нанесення шару одного матеріалу на підкладці з іншого матеріалу), дозволяє отримувати цілий ряд пристроїв з настільки високими електричними характеристиками, які важко реалізувати іншим технологічним методом.
При єпітаксійному процесі атоми домішок вводяться в кристал безпосередньо в процесі вирощування плівки. Змінюючи вміст домішок в газовій фазі або її тип, можна змінювати характеристики епітаксійної плівки і створювати p-n переходи.
Епітаксійному процесу притаманні і деякі недоліки, які полягають у тому, що відбувається обмін атомами домішок між підкладкою і вирощуваною плівкою за рахунок взаємної дифузії.
1.1. Підготовка діелектричних підкладок.
Першочергове значення має чистота хімічної очистки і механічної обробки підкладки. Найбільш повніше умовам епітаксії кремнію відповідають підкладки з сапфіру і алюмомагнієвої шпінелі. Крім того, що обидва матеріали хороші діелектрики, хімічно стійкі в умовах високотемпературної епітаксії, вони ще володіють достатньо високою теплопровідністю і механічною міцністю, низьким значенням втрат, високою діелектричною сталою, обидва прозорі в оптичному діапазоні.
Висока твердість сапфіра порівняно з кремнієм потребує для його обробки використання абразивного інструменту на основі алмазного порошку і значних навантажень на робочий інструмент. Тому на поверхні сапфірових підкладок виникає порушений шар, який перешкоджає отриманню якісних монокристалічних плівок.
Алюмомагнієва шпінель значно м’якша сапфіра. Її механічна обробка не зустрічає таких перешкод, як обробка сапфіра, проте і в цьому випадку вона призводить до значного порушення поверхні підкладки. Тому одною з найважливіших операцій, які передують епітаксійному нарощуванню кремнію, є видалення порушеного шару.
Коли на поверхні підкладки з’являється будь-який дефект, це призводить до того, що нарощувані атоми на цій ділянці не лежать в одній площині відносно іншої частини кристалу і в структурі кристалу з'являється дефект, який поширюється від точки забруднення на всю товщину вирощуваної плівки.
Хімічна обробка діелектричних підкладок.
Сапфір є хімічно малоактивним елементом, тому його хімічна і хіміко-механічна поліровка є дуже важкою. Найбільш поширеним через простоту є процес травлення сапфіра потоком водню в діапазоні температур 1300-1400 і 1100-1200оС.
Перевага цього способу підготовки підкладок полягає в тому, що він застосовується безпосередньо перед процесом нарощування кремнію в одному і тому ж реакторі.
Недоліком цього способу є селективність травлення і порівняно висока температура процесу, яка перешкоджає його проведенню в епітаксійній установці.
Для травлення алюмомагнієвої шпінелі використовують газову суміш шестифтористої сірки і водню. Швидкість травлення алюмомагнієвої шпінелі залежить від температури і кристалографічної орієнтації підкладки і практично не змінюється зі зміною лінійної швидкості потоку газової суміші.
Термічна обробка підкладок.
Було виявлено, що починаючи з температур відпалу вище 1200о, порушена поверхня сапфірових підкладок може повністю відновлювати свою кристалічну структуру.
Термічна обробка поверхні підкладок як в середовищі інертного газу, так і в вакуумі при 1200оС призводить до частинної рекристалізації аморфного і текстурованого шарів. Підвищення температури відпалу до 1500оС призводить до помітного покращення структури поверхневого шару. Проте повне відновлення порушеного шару відбувається за 15 хв. При підвищенні температури відпалу до 1700оС. Рекристалізація порушеного шару супроводжується зняттям внутрішніх напружень навколо дефектів, внесених механічною обробкою.
Крім згладжування мікрорельєфу, при вакуумному високотемпературному відпалі відбувається значна очистка поверхні, яка дозволяє нарощувати кремнієві шари, рівні або кращі по своїм електрофізичним параметрам кремнієвим шарам, отриманих на сапфірових підкладках, протравлених у водні.
На відміну від сапфіру високотемпературна підготовка алюмомагнієвої шпінелі зустрічає серйозні труднощі. По-перше, це пов’язано з термічною нестабільністю алюмомагнію. По-друге, від випаровування MgO Алюмомагнієва шпінель розкладається з виділенням Al2O3. Для усунення розкладу в процесі відпалу підкладку поміщають в герметичний молібденовий контейнер, який містить порошок чистого окису магнію. Найкращий результат при відпалі в такому контейнері підкладок MgO∙(1,2-2)∙Al2O3 досягався при 1650-1700оС. В цьому випадку через 1-2 хв. порушений шар повністю рекристалізується без зниження якості механічно обробленої поверхні.
1.2. Епітаксія кремнію на ізолюючих підкладках.
Технологічний процес повинен забезпечувати отримання епітаксійних шарів з заданими електрофізичними властивостями і довершеною структурою. Товщина і питомий опір повинні бути однаковими по всій пластині, а також від пластини до пластини
Найбільш поширеним методом нарощування якісних монокристалічних шарів кремнію є силановий метод, який використовує піролітичний розклад моносилана:
SiH4 (газ) → Si (твірний) + 2H2 (газ)
Рис. Схема апарату для здійснення епітаксійного процесу.
1- змішувач; 2- реактор; 3- індуктор; 4- вихід системи; 5- ротаметри для вимірювання втрат газу; 6- барботер; 7- тетрахлорид кремнію; 8- пастки; 9, 10 – крани.
Апаратура для вирощування епітаксійних шарів складається з реактора, який являє собою кварцову трубу діаметром до 150 мм, поміщену всередині високочастотного індуктора.
Очищений паладієвим фільтром водень, змішуючись в газорозподільній системі з точно дозованою кількістю силана і легуючого гідриду (диборана – B2H4 або арсина AsH3), надходить до одного з реакторів, де суміш, яка містить гідрид, розкладається на нагрітому графітовому п’єдесталі з підкладками. Диборан або арсин розкладаються при температурі процесу, що призводить до введення атомів бору або арсину у вузли наростаючої кристалічної решітки кремнію. Продукти реакції наносяться на п’єдесталі і підкладках, а водень і нижчі гідриди виводяться із реактора і спалюються на виході установки.
Рис. Схема влаштування горизонтальної (а) і вертикальної (б) реакційних камер для епітаксії.
1- кварцова труба; 2- вихід паро газової суміші; 3- підкладки; 4- графітова підставка; 5- індуктор.
Рис. Схема розподілення газів епітаксійної установки.
Питомий опір епітаксійного шару залежить від типу і кількості легуючих домішок, введених в процесі вирощування плівки.
Найбільш поширеним способом нагріву графітового п’єдесталу є індукційний нагрів від лампового або машинного генератора. Індуктор, як правило, винесений за стінки кварцового реактора, охолоджуваного водою.
Конструкції реакційних камер бувають горизонтальними і вертикальними.
Похиле положення пластин кремнію по відношенню до реагенту викликано необхідністю отримати рівномірні по товщині епітаксійні шари. При відсутності нахилу цього не вдалось би досягнути через зменшення концентрації кремнію в парогазовому потоці по мірі проходження його над пластинами кремнію. Якщо нахилити підкладку під кутом по ходу потоку, то можна поставити кожну пластину в такі умови, при яких вона омивається свіжим потоком реагуючих газів.
Завдяки цьому значно зростає рівномірність товщини плівки від пластини до пластини і вирівнюється питомий опір плівок на різних пластинах.
Рис. Залежність швидкості осадження кремнію з SiH4 від температури і концентрації SiH4 (а); швидкості газового потоку (б).
Температура 1050-1100оС, концентрація SiH4 (0,08-0,15%) і лінійна швидкість газового потоку (12-15 см/с) забезпечує якісну епітаксію кремнію при швидкості росту 0,25-0,4 мкм/хв.
Також використовують процеси селективної епітаксії. Цей процес дозволяє отримати епітаксійні структури в заданих місцях структури шляхом осадження шарів через вікна в маскуючій масці.
1.3. Гетероепітаксійні шари.
В кремнієвій технології все більше значення набувають гетероепітаксійні процеси, зв’язані з вирощуванням монокристалічних кремнієвих плівок на монокристалічних підкладках з інших матеріалів, в тому числі і діелектричних. Такі процеси дають можливість створювати інтегральні мікросхеми з практично ідеальною ізоляцією елементів.
Рис. Схема отримання епітаксійних структур кремній на сапфірі в технології інтегральних мікросхем.
1- підкладка; 2- епітаксійний кремній, після осадження, фотолітографії і травлення; 3- структура після дифузії для створення шарів n+; 4- після створення p-n структури; 5- після пасивації діелектриком; 6- готова структура; I- кремній; II- діелектричний шар; III- сапфір; IV- металічний шар.
2. Хімічне осадження з газової фази.
В промисловості для епітаксії кремнію розповсюджене хімічне осадження, яке протікає при атмосферному тиску. Для хімічного осадження притаманні значно більші температури підкладки, ніж при фізичному осадженні, висока хімічна активність другорядних продуктів реакцій і участь при поверхневого шару підкладки в протікаючи реакціях при осадженні.
Перевагою процесів осадження є можливість використовувати широке коло діелектричних матеріалів. Крім того, цей метод дозволяє осаджувати кремній при більш нижчих температурах, ніж проходить окислення кремнію; отримувати матеріали високої чистоти без радіаційних дефектів з високою рівномірністю товщини осадженої плівки, розмір зерен і рівень механічних напружень можна регулювати.
При хімічному осадженні утворювані речовини є результатом гетерогенних хімічних реакцій поблизу поверхні, на поверхні або при поверхневому шарі підкладки. Сполучення осаджуваної речовини випаровується, і отриманий пар придається термічному розкладу або реагує з іншими газами в зоні підкладки, при негайній її каталітичній дії на реакцію, щоб речовина виділялась не в об’ємі газу під підкладкою, а безпосередньо на поверхні.
Розрізняють два варіанти хімічного осадження: піроліз і хімічні транспортні реакції.
При піролізі підкладку нагрівають до температури, при якій газоподібне робоче сполучення розкладається, і його нелетучі компоненти осаджуються на підкладці. В якості робочого сполучення використовують сполучення металів типу гідридів, карбонілів, металоорганічних сполучень або галогенідів. При піролітичному осадженні існує небезпека включення у вміст осаджуваної речовини вуглецю з карбонілів і металоорганічних сполучень. Різновидом піролізу є осадження при водневому відновленні, в результаті якого полегшується відвід газоподібних продуктів і тим самим температура може бути знижена на декілька сот градусів.
Для швидкого видалення газу робочого сполучення від випаровувача, що буває необхідним для усунення відновлювальних реакцій в об’ємі газу, застосовують потік інертного газу-носія, який переносить газ робочого сполучення безпосередньо в зону підкладки. Тут відбувається сполучення з воднем і піролітичне осадження на підкладку під дією її високої температури.
При хімічних транспортних реакціях використовують можливість зміщення рівноваги в рівноважних реакціях створенням градіенту температури. Для цього в реакційній камері, де проходить осадження, повинні бути чітко виражені температурні зони. Вихідна речовина поміщається в середовище, при взаємодії з якою утворюються леткі продукти, які намагаються вилетіти з реакційної зони. Якщо поблизу знаходяться підкладки, нагріті до іншої температури, то рівновага зміщується в сторону утворення вихідної речовини, яка осідає на підкладку.
В технології напівпровідникових інтегральних мікросхем розповсюджено застосування хімічного осадження з газової фази для епітаксійного нарощування кремнію. Кремній осаджують піролізом при водневому відновленні тетрахлориду кремнію SiCl4 або трихлорсилана SiHCl3, які випаровуються при кімнатній температурі. Підкладка повинна бути нагріта до 1100оС. Швидкість осадження кремнію в такому режимі складає приблизно 25 мкм/хв. Реакція проходить по формулі:
SiHCl3 + H2 → 3HCl + Si
Розклад проводиться при температурі 700-750оС.
Кремній нарощують або на кремній з іншим типом провідності, або на ізолюючу підкладку. Домішки в кремній вводять по мірі епітаксійного нарощування шару подачею газоподібних гідридів елементів III або V груп.
Відома велика кількість реакцій, по яким осаджуються різноманітні діелектричні шари.
SiCl4 + CO2 + H2 → SiO2 SiH4 + H4 → SiO2
SiCl4 + NO + H2 → SiO2 Al(OCH5)3 → Al2O3
SiBr2 + NO + H2 → SiO2 Al(OC3H7)3 → Al2O3
Si(OC2H5)3 → SiO2 SiCl4 + NH3 → Si3N4
C5H11Si(OC2H5) → SiO2 SiCl4 + N2H2 + H2 → Si3N4
Апаратура, яка використовується для осадження з газової фази, практично не відрізняється від тої, яка використовується для епітаксії кремнію.
3. Дифузійна технологія.
Дифузійна технологія призначена для введення в кремній домішок атомів фосфору, миш'яку, бору або інших елементів. Рушійною силою дифузії в хімічно неоднорідній системі є різниця концентрацій легуючої речовини (дифузанта) в різних частинах системи. Основою дифузійних методів створення структур мікросхем на напівпровідниковій підкладці є дифузія атомів домішок p- або n- типу в кристалічну гратку напівпровідника. Дифузійні процеси проводяться при температурах від 1000 до 1300оС.
В процесі дифузії можна з великою точністю контролювати і регулювати такі важливі параметри, як глибину залягання p-n переходу, поверхневу концентрацію і розподіл домішок в напівпровіднику, отримуючи структури з параметрами, дуже близькими до розрахункових.
Процес дифузії складається з окремих етапів: 1) визначення і реєстрація параметрів вихідного кремнію; 2) встановлення необхідних параметрів дифузійного шару; 3) визначення часу і температури дифузії; 4) перевірка печі і вивід її на режим; 5) обробка кремнієвих пластин; 6) завантаження кремнієвих пластин в піч; дифузія, розвантаження; 7) визначення і запис величин глибини переходу і питомого поверхневого опору.
Джерела домішок (бору і фосфору) при дифузії у відкритій трубі
Джерело домішки
Стан при кімнатній температ.
Температ. джерела під час дифузії, оС
Переваги
Недоліки
Хлорокис фосфору POCl3
Трибромистий фосфор PBr3
Фосфін PH3
Трихлористий фосфор
Трибромистий бор BBr3
Трихлористий бор BCl3
Диборан B2H6
Рідкий
Рідкий
Газ
Рідина
Рідкий
Газ
Газ
2-40
170
Кімнатна
2-40
10-30
Кімнатна
Кімнатна
В широкому діапазоні концентрації домішок здійснюється хороший контроль
Такі ж, як і вище. Може використовуватись в не окисній дифузії
Такі ж, як вище
Простий в застосуванні
Система не забруднюється. В широкому діапазоні концентрації домішок здійснюється хороший контроль. Може використовуватись в не окисній дифузії
Важливе значення має геометрія системи
Такі ж
Висока токсичність
Такі ж
Велике значення має геометрія системи
Такі ж
Висока токсичність
Дифузія проводиться на різних етапах виготовлення інтегральних схем, властивості пластин значно змінюються, тому необхідно реєструвати властивості пластин перед дифузією. По закінченню операцій по підготовці пластини завантажуються в дифузійну піч і проводиться дифузія.
В якості дифузантів для германію і кремнію найчастіше використовують елементи III і V груп. Для отримання n- областей застосовують матеріали, які містять фосфор, миш'як. Основною донорною домішкою для кремнію є фосфор, який має порівняно високу розчинність. Це дозволяє змінювати поверхневу концентрацію дифузійних шарів в широкому діапазоні. Фосфор також має найбільш високий коефіцієнт дифузії, сполуки з фосфором менш токсичні. В якості акцепторних домішок використовують алюміній, галій, індій, бор. В основному для створення p- областей використовують тільки бор, який має ті ж переваги, що і фосфор.
3.1. Термічна дифузія.
Термічна дифузія в потоці газу-носія здійснюється в кварцовій трубі з двома температурними зонами, в одній з яких знаходиться тигель з дифузантом, а в другій – касета з підкладками. Через трубу пропускають нейтральний газ (аргон або азот), який проходить над тиглем з дифузантом і переносить пари домішки до підкладок. При цьому джерело домішок може бути твердим, рідким або газоподібним. Якщо джерело домішок тверде, то використовують двозонну піч, яка представляє собою дві термічні камери з незалежним нагрівом, через які проходить робоча кварцова труба. Якщо джерело домішок рідке або газоподібне, то використовують однозонні дифузійні печі, що забезпечує краще відтворення параметрів дифузії. Підкладки завчасно маскують шаром SiO2, тому дифузія протікає тільки у відкритих місцях.
Дифузія проводиться в трубчатих печах. Ці печі мають робочу зону довжиною 400-600 см, в якій коливання температури не допускаються більше 0,5оС.
Рис. Схема подачі газу при використанні фосфіну, арсину або диборана в якості джерела дифузанта.
1, 2- прилади для вимірювання потоків газів (N2, O2 і PH3); 3- вентилі, які регулюють потік газів; 4- барботер для POCl3 або іншого джерела дифузанта; 5- термостат; 6- температурний профіль в печі; 7- зона постійної температури; 8- пластини кремнію, в які проводиться дифузія; 9- отвір для завантаження і вивантаження пластин, а також для видалення газів; 10- піч.
Рис. Схема установки для термічної дифузії в потоці газу:
1- тигель з дифузантом в температурній зоні випаровування дифузанта; 2- зона касети з підкладками; 3- гідро затвор для підтримання тиску.
Процес обробки пластин всередині печі полягає в наступному: встановлюється розподіл температури в печі, яка потрібна для дифузії, і камери продуваються аргоном або азотом. Пластини завантажуються в камеру і витримуються на протязі декількох хвилин для встановлення теплової рівноваги.
При окисній дифузії кремнієві пластини завантажуються в піч в потоці азоту, який містить кисень. Згодом до газу-носія додаються газоподібні сполуки домішок. Одночасно концентрація кисню в газі-носії збільшується. Ці умови підтримуються на протязі всього часу дифузії.
Для глибокої дифузії, коли потрібний довгий період часу процесу, бажано проводити його в двох стадіях. Перша стаді проводиться так само, як описано вище. Друга стадія перерозподілу домішок проводиться при нагріванні в атмосфері, вільній від домішок.
Зазвичай перша стадія осадження і введення домішок проводиться при низькій температурі (700-1100оС) і на протязі короткого проміжку часу (1-20 хв.), а друга стадія – при високій температурі (900-1200оС) і більшому проміжку часу (від десятків хвилини до декількох годин).
Термічна дифузія з шару проводиться нанесенням на підкладку солі, яка містить дифузант. При температурі дифузії на поверхні підкладки утворюється склоподібний шар, з якого дифузант надходить в кремній.
Основним недоліком термічної дифузії, як засобу введення домішок в напівпровідникову підкладку є висока температура обробки, яка може спричинити забруднення, переміщенню дефектів в кристалі або зменшенню періоду життя носіїв.
При цій технології виготовлення напівпровідникових інтегральних схем відбувається багатократна зміна термічних операцій, що визначає необхідність створення прецизійних температурних умов. Крім того, фізико-термічне обладнання повинно забезпечувати рівномірну подачу реагентів в зону дифузії. При цьому велика увага приділяється керованій зміні парціальних тисків легуючих домішок.
При тривалих процесах термічної обробки, коли час вираховується декількома годинами, теплові перехідні процеси практично не впливають на якість і відтворення властивостей отримуваних структур. Це зумовлено тим, що час перехідного процесу при прогріві пластин в багато раз менше часу самого процесу термообробки.
3.2. Іонопроменева дифузія (імплантація) дозволяє здійснювати безпосереднє вливання атомів легуючої речовини в кристалічну гратку в місці падіння іонного променя дифузант. Електричне поле, яке діє на іонізовані домішки в напрямку напівпровідникової підкладки, забезпечує необхідну енергію для дифузії. Коли іонізовані сполуки потрапляють в напівпровідник, вони проникають між вузли кристалічної гратки на глибину 1-2 мкм і після термообробки переміщаються у вільні місця у вузлах гратки.
Чим нижча енергія часток, тим менша небезпека радіаційного пошкодження. При використовуванні променю з частками малих енергій використовується канальний ефект, який полягає в тому, що рухаючись в певному кристалографічному напрямку, іони в стані переміщатись між атомами і проникати досить глибоко в гратку.
Використовування променя, який містить в собі іони дифузанта, в принципі дозволяє будувати технологічний процес без багатократного маскування, яке обов’язкове при термічній дифузії. Втілення іонів дифузанта можна проводити в точно визначену область підкладки, не придаючи інші області помітному впливу. Це є головною перевагою іоннопроменевої дифузії перед термічною. Потрібний узор з дифузійних областей можна рисувати на підкладці без маски відхиленням добре сфокусованого іонного променя. В цьому випадку можливість розширення в принципі вище, ніж при маскуванні і загальній термообробці, коли важко контролювати проникнення термічно мігруючих домішок під краї маски. Контроль концентрації домішок при іонопроменевій дифузії здійснюється не хімічними, а електронними засобами, що дозволяє отримати більш високий процент виходу придатних мікросхем і зменшити розкид параметрів.
Установка іонної імплантації являє собою вакуумну камеру, яка складається з ряду блоків, з’єднаних між собою за допомогою вакуумної резини. З джерела домішка в паровому або газоподібному стані потрапляє в розрядний блок (іонізатор), з якого з від'ємним потенціалом в 20...25 кВ іони витягуються в магнітний сепаратор (масс-аналізатор). Тут в постійному магнітному полі відбувається розділ траєкторій іонів з різним електричним зарядом так, що в наступний блок приходить моно енергетичний потік іонів. В цьому блоці за допомогою системи електродів іонному пучку придається плоска форма і в наступному блоці іони розганяються до необхідної енергії.
Галузь, де можна використовувати метод іоннопроменевої дифузії, це мікросхеми з малим часом перемикання і мікросхеми для високих частот. Іонопроменева дифузія дає можливість отримувати дуже малу товщину бази.
Іонопроменевій дифузії притаманні недоліки, основним з яких є радіаційні пошкодження кристалічної гратки, якщо не забезпечене точна орієнтація відносно променя так, щоб іони втілювались по вільним каналам в кристалі, не зачіпаючи атоми у вузлах кристалу.
4. Оксидне і нітридне маскування.
Для того щоб провести процеси локальної дифузії домішок в заданих місцях монокристалічної підкладки, або виростити селективно в цих місцях епітаксійні монокристалічні шари, необхідно запобігти впливу вказаних процесів на іншу частину підкладки. Це досягається створенням спеціальних захисних масок.
В структуру кремнієвих інтегральних схем обов’язково входить ізоляційний шар, розміщений безпосередньо на поверхні кремнію і виконуючий дві задачі: 1) захист поверхні напівпровідника; 2) термостійке маскування при дифузії.
В технології кремнієвих інтегральних мікросхем найбільш широко використовується в якості матеріалу маски плівки оксид кремнію, хоча можна і застосовувати і інші матеріали, наприклад Si3N4, Al2O3.
Маску з SiO2 отримують нанесенням окисного шару з наступним травленням необхідних вікон через фоторезистивну маску в суміші HF з домішками.
Проте окисна плівка є джерелом нестабільності інтегральності схеми, пов’язаної з зарядом в оксиді і на границі розділу оксиду і напівпровідника. Величина і рухливість цього електричного заряду залежать від способів отримання плівок.
Серйозною проблемою при виробництві інтегральних схем є усунення утворення отворів в оксидному шарі, розміри яких достатні для електричного пробою діелектрика або осадження в них алюмінію і виникнення короткого замикання.
Існують два методи утворення плівок оксиду на кремнієвій підкладці: окислення або осадження шару ззовні. В другому випадку кремнієва пластина виконує тільки роль підкладки. Переваги цього способу є втому, що його можна застосовувати при виготовленні будь-яких інтегральних мікросхем. В свою чергу окислення кремнію може бути термічним окисленням або анодуванням, а осадження ззовні – хімічним осадженням з газової фази або в режимі іонного розпилу.
Шар оксиду, отриманий окисленням, буде містити всі домішки, які містяться в кремнії базового кристалу. Цей недолік при високій ступені очистки кремнію часто не є значимим, і метод термічного окислення підкладки застосовується найбільш широко. Анодування поки не дозволяє отримувати плівки потрібної якості.
Для маскування в процесах іонної імплантації використовуються не тільки діелектричні, але і металічні шари. Визначити необхідну товщину маски можна, знаючи величину пробігів іонів в маскую чому шарі.
4.1. Термічне окислення.
При окисленні монокристалічних пластин кремнію на їх поверхні утворюється шар аморфного оксиду кремнію. З цього шару методом фотолітографії створюється маска з заданим рисунком.
Термічне окислення проводиться або в атмосфері сухого кисню, або в парах води. В останньому випадку окислення протікає швидше і застосовується для отримання плівок підвищеної товщини. Сухе термічне окислення дає більш високоякісну тонку плівку оксиду.
Окислення базового кристалу кремнію проводять в печі при 1000-1200ос в оксидному середовищі, яке містить кисень або пари води. При вказаних температурах і тиску кисню або парів води від 200 торр до атмосферного, кремній окисляється на глибину біля 1 мкм. Тривалість термічного окислення визначає товщину оксидної плівки по параболічному закону:
де Δ – товщина оксидного шару; t – тривалість обробки; k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від тиску газового середовища, яке окислюється і від температури.
Рис. Залежність значення товщини оксиду кремнію, необхідного для маскування при дифузії фосфору, від температури для різного часу дифузії.
Термічне окислення протікає в три фази: адсорбція кисню поверхнею, дифузія крізь оксидний шар, реакція окислення на границі Si-SiO2. Для цих процесів необхідна висока температура, при якій рухливість легуючих домішок велика, що викликає їх паразитну дифузію, що призводить до розмитості p-n переходу. В гратку Si в результаті паразитної дифузії легко вводяться різні домішки. Найбільш шкідливими є іони натрію, які дрейфують крізь шар SiO2 під дією електричного поля.
Перешкодою на шляху іонів натрію може бути тонка плівка фосфоросилікатного скла з 4% вмісту P2O5, яка створюється легуванням з газової фази. Ця технологічна операція, крім того, підвищує електричну міцність SiO2, тому що рідка плівка скла, яке утворюється на поверхні, заповнює пори між границями зерен SiO2.
Проте головний недолік термічного окислення – висока температура обробки, що викликає паразитну дифузію, змушує застосовувати низькотемпературні процеси, особливо в тих випадках, коли паразитна дифузія недопустимо погіршує характеристики інтегральних схем.
Термохімічне осадження плівок SiO2 в транспортній реакції засновано на оборотній реакції між SiO2 і HF:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O.
Рівновага цієї операції зрушується в сторону виділення SiO2 при збільшенні температури. Тому перенос SiO2 відбувається від низькотемпературної області з джерелом до області з більш високою температурою.
В якості транспортуючого газу для SiO2 використовують HF. Її концентрацію для різних випадків міняють відповідним розчиненням водою 49% HF.
Найбільш важливими параметрами процесу є температура підкладки, температурний градіент в системі, тиск і склад транспортуючого газу.
Швидкість хімічної реакції в області джерела є фактором, визначаючим швидкість всього процесу переносу.
Має значення степінь розчину HF, яка впливає на швидкість осадження через взаємодії як в області джерела, так і в області підкладки. Більш розбавлена HF уповільнює реакцію з'єднання з джерелом, але прискорює реакцію виділення речовини. В результаті цього суперечливого впливу швидкість осадження спочатку повільно, а потім швидко зростає зі збільшенням ступені розчину HF. Це означає що надлишок води прискорює виділення речовини в більшій степені, ніж уповільнює реакції утворення сполучення.
Апаратура для проведення окислення використовується така ж, як для дифузії. При окисленні паром джерелом окислювального реагенту є вода високої чистоти, підігріта до температури, при якій виникає потік водяного пару через реакційну трубу. Зазвичай температура води підтримується при температурі, близькій до температури кипіння.
Температура води не показує помітного впливу на окислення до того часу, поки величина її достатня для підтримки поблизу кремнію парціального тиску 105 Па. При більш високій температурі збільшується потік пару біля кремнію, але концентрація пару і швидкість окислення помітно не змінюються.
4.2. Нітридне маскування.
Хімічна стійкість нітриду кремнію Si3N4 значно вище, ніж SiO2. Ця умова може бути використана при травленні для отримання більш точних розмірів. Проте плівка Si3N4 нарощується дуже повільно і при високій температурі, тому раціонально її використовувати з SiO2. Застосування двошарового захисту, при якому пори в кожному шарі ніколи не співпадають один з одним, є особливо перспективним.
Для того щоб використовувати нітрид кремнію для маскування і ізоляції інтегральних схем, необхідні не полікристалічні, а аморфні плівки, оскільки вони мають більш однорідні властивості.
Нітрид кремнію добувають з силана SiH4 при його азотуванні аміаком під час піролітичного розкладу на підкладці при 1000оС.
Двошаровий захист SiN4+SiO2 настільки ефективний, що дозволяє застосовувати інтегральні схеми в пластмасових корпусах, які гірше захищають від зовнішнього середовища, ніж металічні, але значно дешевше в виробництві.
Рис. Зріз напівпровідникової інтегральної схеми в зоні розміщення польового транзистора, виконаного з використанням двошарової ізоляції SiN4+SiO2.
5. Металізація.
Металізація в технології напівпровідникових інтегральних мікросхем повинна забезпечити: 1) низькоомний контакт з кремнієвим електродам активних і пасивних елементів інтегральних схем; 2) високу адгезію; 3) можливість отримання дуже вузьких металічних смужок при фотолітографії; 4) металургійну сумісність зі сплавами, які застосовуються для приєднання зовнішніх виводів.
Для такої металізації найбільш підходить алюміній, який легко наносити вакуумотермічним осадженням. Алюміній дешевий і його просто отримувати високої ступені чистоти. Після осадження плівки проводять її фото літографічну обробку з ціллю отримання потрібного рисунку. Алюміній легко піддається травленню при фотолітографії, причому травник не діє на Si або на SiO2. Кінцевою операцією є термообробка при 550оС на протязі декількох хвилин з ціллю утворення низькоомних контактів до кремнію.
У випадку багатошарових структур зверху алюмінієвої плівки наносять діелектричну плівку, яку фотолітографічно обробляють для отримання в ній вікон в тих місцях, де потрібно отримати контакт з нижнім металічним шаром, після чого осаджують другий шар металу.
Плівка Al є полікристалічною і відразу після осадження має дзеркально гладку поверхню. В результаті наступних технологічних процесів, які проводяться при високій температурі, плівка алюмінію рекристалізується, кристали ростуть і поверхня стає горохуватою.
Ці обставини мають особливе значення для багатошарових інтегральних схем, тому що ізоляційна прокладка, яка наноситься зверху такого горохуватого металічного рисунку, може отримати тріщини і отвори в цих місцях. Проте алюміній забезпечує добру адгезію до нього плівки з SiO2 і це багато у чому ліквідує шкідливі наслідки вказаного ефекту.
Важче отримати хороші омічні контакти між контактуючими шарами металізації, так як на алюмінії утворюється Al2O3. Зруйнувати цю шкідливу прокладку можна термообробкою після осадження другого шару алюмінію, коли рекристалізація обох плівок алюмінію призводить до механічного руйнування тонкої прокладки оксиду.
Алюміній утворює низькоомний контакт з кремнієм. Кремній, який знаходиться в алюмінії у вигляді твердого розчину, майже не зменшує його електропровідності. В свою чергу, викристалізуваний з алюмінію кремній містить велику кількість алюмінію, які є акцепторною домішкою, і тому його провідність висока.
Для отримання не випрямного контакту при базовому кристалі з n-Si необхідно перед металізацією провести збагачуючу дифузію іншими домішками. У всіх випадках бажано сповільнювати дифузію Si в Al, щоб облегшити керування технологічним процесом. Для цього осаджують плівки з алюмінію, який легований 1% Si, що значно зменшує додаткове розчинення Si в Al. Ще одним достоїнством Al для металізації є властивість до залікування місць пробою.
Поряд з багатьма технологічними і конструктивними достоїнствами алюмінію для металізації в напівпровідникових інтегральних схемах, потрібно уявляти собі його недоліки. М’якість алюмінію призводить до загрози утворення на ньому подряпин в процесі виробництва. Другим технологічним недоліком є значний ТКl, що часто призводить до розтріскування діелектричної плівки, нанесеної зверху, оскільки в діелектричній плівці після її нанесення вже існують свої напруги. Спільна дія власних і прикладених від алюмінієвої плівки напруг може призвести до появи тріщин, особливо на краях металічних смуг. Недоліком алюмінію є помітна електродифузія, яка протікає в ньому при високих густинах струму. При цьому відбувається як розчин і перенос алюмінію з утворенням розривів в плівці, так і розчин и перенос кремнію з утворенням під плівкою алюмінію ямок травлення. Швидкість цього руйнівного процесу залежить від квадрату густини струму і від температури.
Як правило інші метали мають нижчу адгезію до Si, ніж алюміній. Для покращення адгезії і отримання низькоомного омічного контакту, застосовують шар платини. Платина сама по собі має дуже низьку адгезію до Si, але при наступному нагріванні платина і кремній вступають у з'єднання, утворюючи силіцид платини, який забезпечує добрий омічний контакт з кремнієвими шарами p- і n- типів.
Метал
П’ятибальна оцінка степені адгезії до кремнію
Температура плавлення, оС
Питомий опір чистого монолітного металу при 20оС, мкОм∙см
Алюміній
Хром
Титан
Вольфрам
Молібден
Нікель
Кобальт
Залізо
Тантал
Ванадій
Цирконій
Срібло
Мідь
Родій
Іридій
Цинк
Кадмій
Палладій
Олово
Свинець
Золото
Платина
5
5
5
4
4
4
4
4
4
4
4
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
659
1903
1812
2380
2610
1455
1490
1535
2977
1730
1852
961
1083
1960
2443
419
321
1555
232
323
1063
1770
2,7
13,0
42,0
5,6
5,7
7,8
9,8
10,0
15,5
25,0
40,0
1,6
1,7
4,5
5,3
5,8
7,6
11,0
11,6
22,0
2,4
10,0
5.1. Методи отримання металічних вакуумних конденсатів.
Термічне випаровування металів.
Метод термічного випаровування є досить простий і для його реалізації на практиці існує численне обладнання. Процес здійснюється, де вихідний метал кладеться у спеціальний випарник (виготовлений з тугоплавких металів або з їх з'єднань у вигляді дроту або тонкої стрічки), через яку пропускається струм. Метал нагрівається при вакуумі 1-5∙10-5 мм рт. ст. до температури випаровування. Пари, що виділяються, конденсуються на підкладці, утворюючи необхідні шари.
Рис. Схема вакуумної камери для термічного випаровування резистивним способом: 1- нагрівник підкладки; 2- підкладка; 3- маска; 4- потік конденсату; 5- випарювана речовина; 6- струм оводи; 7- випарник; 8- ковпак.
Процес проведення операції вакуумного випаровування включає в себе виконання наступних операцій: в верхньому положенні ковпака встановлюється підкладка; ковпак опускають і вмикають систему вакуумних насосів; для пришвидшення десорбції повітря і скорочення часу відкачки в трубопровід подають гарячу проточну воду; по досягненні тиску всередині камери порядку 10-4 Па включають нагрівники випаровувача і підкладки; по досягненню робочих температур заслінку відводять в сторону і пари речовини досягають підкладки, де проходить їх конденсація і ріст плівки; далі вимикають нагрівачі, включають систему відкачки, а в трубопровід подають холодну проточну воду.
Деколи на виробництві застосовують металокерамічні тиглі, а нагрівання вихідних матеріалів деколи здійснюють індукційним методом. Швидкості випаровування і конденсації не є за цього методу постійними величинами, бо маса вихідного металу безперервно зменшується при незмінній потужності, що надається випарнику. Крім того, металічні випарники інколи активно реагують із розплавленими металами, а продукти взаємодії, осідаючи на підкладці, викликають збільшення електроопору плівок.
Поряд з певними перевагами метод має й деякі вади: підвищену концентрацію домішок в ко...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора