Типовые технологические процессы

Технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем основывается на типовых технологических процессах.

Подготовительные операции

Монокристаллические слитки полупроводников получают обычно путем кристаллизации из расплава методом Чохральского. В этом методе стержень с затравкой в виде монокристалла после соприкосновения с раплавом медленно поднимают с одновременным вращением. Вслед за затравкой вытягивается нарастающий и застывающий слиток.

Кристаллографическая ориентация слитка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затравки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоскости (111) или (100). Типовой диаметр слитков составляет 80 мм, а максимальный 1,5 м.

Слитки полупроводника разрезают на множество тонких пластин (0,4…0,5 мм), из которых затем изготавливают интегральные схемы или другие приборы. Перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифуют, а затем полируют. Цель шлифовки, помимо удаления механических дефектов, состоит также в том, чтобы обеспечить необходимую толщину пластины (200…300 мкм) и параллельность плоскостей. Полировка уменьшает неровности поверхности до уровня сотых долей микрона.

Далее поверхности очищают и обезжиривают в органических растворителях – толуол, ацетон, этиловый спирт и др.

Эпитаксия

Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Тепловой – хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем. Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния. При температуре около 1200 ºС, которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин происходит реакция, в результате которой на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния. Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений бора или фосфора, то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей тоже любым типом и величиной проводимости.

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения тонких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур.

Помимо описанной газовой эпитаксии существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т.е. раствора, содержащего необходимые компоненты.

Термическое окисление

Окисление кремния – один из самых характерных примеров современной технологии. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния выполняет несколько важных функций, в том числе:

· функцию защиты поверхности;

· функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси;

· функцию тонкого диэлектрика под затвором МДП транзистора.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при температуре 1000…1200 ºС. Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода – сухое окисление, в смеси кислорода с парами воды – влажное окисление или просто в парах воды.

Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещаются пластины кремния. Через трубу пропускается поток кислорода или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне.

Различают «толстые» и «тонкие» окислы. Толстые окислы (0,7…0,8) мкм выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (0,1…0,2) мкм – функции подзатворного диэлектрика.

Одной из важных проблем при выращивании пленки является обеспечение ее однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро- и макропоры, вплоть до сквозных отверстий.

Диффузия

Внедрение примесей в исходную пластину путем диффузии при высокой температуре является основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур.

Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины, а во втором – на определенных участках пластины через окна в маске.

Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, в исходную пластину n-типа можно во время первой диффузии внедрить акцепторную примесь и получить p-слой, а затем во время второй диффузии внедрить в полученный p-слой на меньшую глубину донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами.

Внедрение примесей обычно осуществляется так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используют однозонные или двухзонные диффузионные печи. Двухзонные печи используют в случае твердых диффузантов. В таких печах имеются две высокотемпературные зоны. Одна для испарения источника диффузанта, вторая – собственно для диффузии. В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходимости в их высокотемпературном испарении. Поэтому используются однозонные печи.

Ионная имплантация

Суть этого метода состоит в бомбардировке подложки ионами примеси с энергией в несколько десятков килоэлектрон-вольт. Необходимую энергию ионы получают при ускорении в электрическом поле ионно-лучевого ускорителя.

Ионная имплантация, так же как диффузия, может быть общей и локальной. В последнем случае бомбардировка проводится через
маски. Материалом для масок могут служить двуокись кремния и алюминий.

В принципе ионную имплантацию можно проводить многократно. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной имплантации, оказывается затрудненным. Поэтому ионная имплантация получила основное распространение при создании тонких одинарных слоев.

Главным преимуществом ионной имплантации является низкая температура процесса и его хорошая контролируемость.

Травление

В общем случае травление рассматривается как немеханический способ изменения рельефа поверхности твердого тела.

Процесс химического травления состоит в химической реакции жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого соединения. Последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. В отличие от механического удаления травление обеспечивает гораздо большую точность процесса. Стравливание происходит плавно – один мономолекулярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время травления, можно весьма точно регулировать толщину удаляемого слоя.

Для большей равномерности травления и удаления продуктов реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в наклонном положении – динамическое травление. Или вводят в раствор ультразвуковой вибратор – ультразвуковое травление.

Электролитическое травление отличается тем, что химическая реакция жидкости с твердым телом и образование растворимого соединения происходят в условиях протекания тока через жидкость, причем твердое тело играет роль одного из электродов – анода.

Методы анизотропного травления основаны на том, что скорость химической реакции, лежащей в основе классического травления, зависит от кристаллографического направления. Поэтому при использовании специальных анизотропных травителей скорость травления оказывается в разных направлениях разная.

Техника масок

В технологии полупроводниковых приборов маски обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность отверстий – окон. Ведущее место в технологии изготовления масок занимает фотолитография.

В основе фотолитографии лежит использование материалов, которые называют фоторезистами и которые чувствительны к ультрафиолетовому излучению.

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске, покрывающей поверхность кремниевой пластины, в общих чертах состоит в следующем.

На окисленную поверхность пластины наносят тонкий (1 мкм) слой фоторезиста. Затем накладывают фотошаблон – стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. И экспонируют его в лучах кварцевой лампы. После этого фотошаблон снимают. Далее через фоторезистную маску производится травление окисного слоя вплоть до кремния. После удаления фоторезистной маски конечным итогом фотолитографии оказывается кремниевая пластина, покрытая окисной маской. Через нее можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т.п.

Металлизация

Процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, соединения и контактные площадки. Основным материалом для металлизации служит алюминий. Он оказался оптимальным в силу малого удельного сопротивления, хорошей адгезии к окислу кремния, возможности сварных контактов, отсутствия коррозии, низкой стоимости.

При создании металлической разводки сначала на всю поверхность кристалла напыляют сплошную пленку алюминия толщиной около
1 мкм. Эта пленка контактирует со слоями кремния в специально сделанных с помощью фотолитографии окнах в окисле. После очередной процедуры фотолитографии, вытравливания алюминия с незащищенных участков и удаления фоторезиста остается запланированная металлическая разводка.

Разводка может быть многослойной, разделенной изолирующими слоями, В качестве диэлектрика чаще всего используется моноокись кремния.

Проблема омических контактов при использовании алюминия состоит в том, что если пленку алюминия напылить на поверхность кремния, то образуется барьер Шоттки. Причем барьер на границе с
n-слоем является не омическим, а выпрямляющим. Чтобы этого избежать, область n-слоя вблизи контакта специально легируют, превращая ее в n⁺-слой с концентрацией доноров 10²⁰ см^–3 и более.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы : Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы». – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1987.

2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника : учеб. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; под ред. проф. Н.Д. Федорова. – М.: Радио и связь, 1998.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники : учеб. пособие для вузов. – М.: Сов. радио, 1980.

4. Электронные приборы : учебник для вузов / В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; под ред. Г.Г. Шишкина. – 4-е издание, перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1989.