Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Этот процесс анизотропного травления дает чистые вертикальные срезы (рис. 8.8, б). Диффузия и ионная имплантация — два основных метода легирования полупроводников при производстве как дискретных приборов, так и интегральных схем. б) а) Рис. 8.8. Подтравливаиие при изотропном травлении (влажное травление) (а), четко стравленные вертикальные срезы (сухое травление — плазменное травление) (б) ~~~230 Глава 8. Пронзводсгаво интевральньи схем Диффузии Примеси диффундируют в кремний через отверстия (окошки) в слое оксида. Для этого маскированная пластина подвергается воздействию примеси высокой концентрации, и имеет место твердая диффузия.
Диффузия примесей в полупроводниковую пластину проходит при точно поддерживаемой высокой температуре в кварцевой трубе, через которую проходит смесь газа, содержащего требуемые примеси. Поддерживаемая температура — от 800 до 1200 'С. Число атомов примеси, диффундирующих в полупроводник, зависит от парциального давления примеси в газовой смеси. Наиболее предпочитаемой примесью в кремний для создания проводимости р-типа является бор, а примесью и-типа — фосфор и мышьяк. Эти примеси имеют хорошую растворимость в кремнии (> 5 х 10ю см ~) во всем диапазоне температур диффузии. Примеси можно ввести из твердого источника, из жидкой или газообразной среды. ВЫ, АвзОв, РоОв — твердые источники соответственно бора, мышьяка и фосфора.
Для тех же примесей жидкими источниками являются ВВгз, АвС1в и РОС1з, газообразными -- ВзНв, АвНз, РНз. Наиболее широко используются жидкие источники. На рис. 8.9 изображена схема экспериментальной установки для введения примесей из жидкого источника. Например, для жидкого источника фосфора химическая реакция будет следующей: 4РОС1з+ 309 — 2Р90в+бС19 )'.
— и Выход дкии источник примеси Рис. 8.9. Схема диффузии примеси из жидкого источника РчОв осаждается на кремниевой пластине подобно стекловидной поверхности и при восстановлении кремнием образует фосфор: 2РзОв + 581 -ч 4Р + 581Оз. Фосфор диффундирует в кремний и делает его проводимость и-ти- па, хлор уносится через выход. Диффузия примеси в основном такой же зв. и....., зз~) процесс, как любая физическая или химическая диффузия, такой же, как процесс диффузии носителей заряда в полупроводнике. Скорость диффузии атомов — функция градиента концентрации. Если концентрация примеси С мала, то процесс диффузии можно выразить законом Фика (в одном измерении), а именно ДС/01 = 11 (дзС/Дхз), где .0 — коэффициент диффузии. Ионная импяанупаиия Ионная имплантация — другой процесс легирования.
При легировании ионной имплантацией заряженные ионы примеси имплантируются в полупроводник в виде пучка высокоэнергетических ионов (рис. 8.10). Концентрация и распределение примеси в полупроводнике определяется массой и энергией ионов. Обычно используемые энергии имплантации лежат в диапазоне Н~дн епезау аорап! 'юпз от 1 КэВ до 1 МэВ, и в результате максимальная концентрация находится в среднем на расстоя- ° ° Ф ° нии от 10 нм до 10 мкм от поверх- ' пеева а ае аа ° а ° I ! ности. Концентрация ионов может меняться от 10ш до 10гэ ион/ем~. Внедряясь в подложку ионы те- ряют свою энергию при столкновениях с ядрами и электронами.
Рис. 8.10. Легззровапиеиовнойинплаптапвв Этот процесс может вызвать некоторые разрушения в структуре кристалла и изменить некоторые параметры материала. Подвижность и другие параметры материала в большей степени можно восстановить процессом, который называется быстрым термическим отжигом. Основные преимущества метода ионной имплантации перед процессом диффузии следующие: 1) более точное управление процессом; 2) большая воспроизводимость; 3) более низкие температуры процесса. 8.8.
Металлизация После завершения диффузии или ионной имплантации требуется изготовить омические контакты и межэлементные соединения. Этот процесс ~~~232 Глава 8. Производставо ингаегральныя схем называется металлизацией. Металлические пленки могут осаждаться вв, куумным напылением, и наиболее подходящий метал для этого — алюминий (удельное сопротивление 2,7 мкОм см) или его сплавы, т. е. алюминий с небольшим процентом кремния или меди (удельное сопротивление до 3,5 мкОм см).
При широко применяемом субтрактивном процессе сначала с площадок, где требуется металлизация, удаляется слой Я1Оз. Затем на всю площадь пластины осаждается металлический слой вакуумным напылением. Источник металла испаряется или бомбардировкой электронным пучком в вакуумной камере или бомбардировкой ионами при низком давлении (распыляется).
Атомы испаренного металла осаждаются, образуя однородную пленку на пластине. После этого ненужные участки металла уда ляются при помощи известных методов литографии и травления. Чистый алюминий создает проблемы, связанные с электромиграцией, при которой атомы алюминия переносятся током высокой плотности. При этом в металлических дорожках могут образоваться разрывы, нарушающие работоспособность схемы. Эта проблема решается использованием сплавов алюминия, упомянутых выше.
8.9. Эпитаксиальный слой При зпитаксиальной технологии этапы, рассмотренные выше, напрямую к полупроводниковой пластине не применяются. На полупроводниковой пластине, служащей лишь подложкой, по технологии осаждения из газообразной формы выращивается слой, называемый эпитаксиальным слоем. Для формирования ИС и-рыытранзисторов на пластине р-типа выращивается эпитаксиальный слой тт-типа по методу химического осаждения из паровой (газовой) фазы. Эпитаксиальный слой формируется посредством химической реакции между газообразными соединениями (рис. 8.11). ВЧ-нагреватель О ОООООООО Выход евые пластины а примесь +н Графитовый держатель подложек + г Рис. 8.11.
Схема выращиваиия эпитаксиальиого слоя по методу химического оса- идевия Для выращивания кремниевого эпитаксиального слоя применяются четырекхлористый кремний (81С14), силан (ЯН4) и т. п. В результате реакции, проходящей при 1200 С, выращивается слой кремния: 81С14 + 81Н4 — 81+ 4НС1. Обратный ход реакции предотвращается поддерживанием концентрации четыреххлористого кремния на минимально необходимом для требуемой скорости выращивания уровне.
Легирующие примеси вводятся (-25 мкм толщины) ран (В2Не) применяется как при-,) -зоомкм месь р-типа, а фосфин (РНз) или ' ~ кпемниеаал 4 подложка арсин (АаНз) — как примесь и-типа. ВоДоРоД в этих химических со- Ржс 8 12 Фо м ол е а тап й единениях действует как разбави- пленки па подложке тель для лучшего управления концентрацией примеси в потоке. В итоге выращивается 25 мкм пленка на р-подложке (рис. 8.12).
Интегральная схема полностью формируется в пределах этого слоя толщиной 25 мкм по этапам, которые мы рассмотрели в предыдущих разделах. Эпитаксиальнал пленка 8.! О. Испытание и монтаж в корпус Полупроводниковая пластина содержит большое количество идентичных ИС. Чтобы отобрать работающие правильно и отбраковать нефункционирующие, проводятся электрические испытания каждой ИС. Пластина разрезается на отдельные кристаллы инструментом с алмазным наконечником (есть методы разрезки лазерным лучом).
Каждый кристалл содержит одну ИС. При простом способе монтажа каждый кристалл обратной стороной припаивается к корпусу. Проводники соединяют контакты на кристалле с выводами корпуса, как показано на рис. 8.13. Важно отметить, что соринки или пыль могут вывести кристалл из строя. Поэтому процесс происходит в чистых помещениях, таких как чистые помещения класса 10, что означает, что только 10 частиц (инородных материалов, частиц пыли) могут быть в одном кубическом футе в помещении.
(234 Глава 8. Производство интпегральных схем Проводники Кристалл ИС Карпу Внешние выводы Рмс. 8.13. Монтаж кристалла ИС с проводниками, подсоединенными к внешним выводам 8.11. Заключение Для производства ИС в настоящее время используются два материала— кремний и СаАв. СзАв — полупроводник с прямыми переходами и имеет подвижность электронов вьпце ( 3 раз), чем кремний. Но в настоящее время технология с СаАз дорогостоящая и его использование ограничено только гигагерцовыми приборами.
В этой главе основное внимание было уделено кремниевой технологии, хотя большинство рассмотренных процессов могут быть применены и к другим материалам. Рассмотрены технологии очистки кремния и выращивания кристаллов по методу Чохральского и плавающей зоной. Технология плавающей зоны не требует тигеля, расплавленную зону удерживают силы поверхностного натяжения. Это позволяет методом плавающей зоны получить особо чистые кристаллы. Для современных приборов требуются полупроводники с высоким удельным сопротивлением (10 Ом см). Описано большинство этапов, применяемых для производства ИС, та- кие как формирование оксидного слоя, фотолитографический метод, процессы травления и т.
д. На примере изготовления транзистора проиллюстрированы разные этапы технологии. Для диодов, резисторов и конденсаторов некоторые этапы пропускаются. 'Хам, где было необходимо, также были даны вместе с технологией и сведения о материалах. В рассмотрение были включены наиболее современные и прогрессивные технологии. Например, кратко рассмотрены плазменное травление и электронно-лучевая литография. 3 д 23Бд Дополнительная литература по теме 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
