Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 64
Текст из файла (страница 64)
И1 31 С! С2 32 И2 Рис. 3.31 Структуры «кремний на диэлектрике» Структуры «кремний на диэлектрике» (КНД) создаются в тонком эпитаксиальном слое монокристаллического кремния толщиной около 1 мкм, выращенном на диэлектрической подложке (сапфир или шпинель), имеющей кристаллическую 342 Глава б. Структуры и технология интегральных микросхем решетку, близкую к кремнию. Локальным окислением в этом слое формируются островки кремния, изолированные друг от друга боковыми слоями ЯОь В каждом из островков формируются МДП-структуры.
На рис. 6.32 представлена структура КНД, в которой имеется транзистор с каналом л-типа и каналом р-типа. В такой структуре паразитные емкости вертикальных р-л-переходов очень малы, что существенно повышает быстродействие микросхем. Достоинством таких структур является также то, что отдельные транзисторы располагаются на минимальном расстоянии друг от друга, так как в них отсутствуют карманы и выводы от подложки, что повышает степень интеграции. Рис. 6.32 Вертикальные структуры В рассмотренных МДП-структурах каналы проходят параллельно поверхности кристалла. Размеры этих структур практически достигли предельных значений, ограничиваемых технологическими возможностями. Дальнейшего повышения степени интеграции можно достичь, переходя к более компактным вертикальным структурам, в которых области истока и стока расположены друг над другом.
Одной из разновидностей таких структур является У-МДП-транзистор (рис. 6.33). Структура создается на кремниевой подложке р -типа, на поверхности которой имеются четыре тонких чередующихся слоя: и'-типа, р-типа, и -типа, и'-типа. Исток Рис. 6.33 343 6.5. Базовые технологические операции Методом анизотропного травления вытравливаегся конусообразная ямка, достигающая своей вершиной нижнего и'-слоя.
Затем стенки Ч-образной ямки окисляются, и на них наносится металлическая или поликремниевая пленка (затвор). Канал индуцируется вдоль боковых стенок Ч-образной ямки в тонком р-слое. Нижний и'-слой является общим для всех транзисторных структур, формируемых на подложке, он выполняет функции истока. Верхний л'-слой выполняет функции стока, Промежуточный л--слой предназначен для увеличения пробивного напряжения, Многослойные структуры Повышение степени интеграции может быть достигнуто путем расположения транзисторных структур в несколько «этажей». Технологически это очень сложная задача.
В настоящее время разработаны опытные образцы двухслойных КМДП- структур (рис. 6.34). В такой ст'руктуре на подложке р-типа формируют транзистор с п-каналом и поликремниевым затвором. На поверхности пленки %От создают л-слой отожженного поликремния, обладающего свойствами монокристалла. В этом слое формируется транзистор с р-каналом. Оба транзистора имеют общий поликремниевый затвор. Такая структура позволяет в 3-4 раза повысить степень интеграции по сракнению с однослойной КМДП-структурой. Рис. В.зч 6.5. Базовые технологические операции Производство интегральных микросхем состоит из определенного ряда операций, выполняя которые, постепенно из исходных материалов получают готовые изделия, В зависимости от структуры ИМС общее количество операций технологического процесса может достигать 200. Эпитаксия Элитаксией называют ориентированное наращивание слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки.
Кзк правило, материалы наращиваемой пленки и подложки одинаковы, но могут применяться и разные материалы Глава б. Структу ы и технология интег альных микросхем с близкой кристаллической структурой, например пленка кремния на сапфировой подложке. Эпнтаксиальный слой создается на всей поверхности подложки, в него могут вводиться примеси. На границе раздела эпитаксиального слоя с подложкой можно сформировать электронно-дырочный переход. Для получения эпитаксиальных слоев наиболее широко применяется хлоридный метод (рис.
6.35). Отшлифованные и тщательно очищенные пластины кремния 1 закрепляют на графитовом держателе 2 н помещают в кварцевую трубу 3 с высокочастотным нагревом 4. В трубе поддерживается температура около 1200+3 'С. Затем камеру продувают водородом и заполняют смесью НС1 и Н„в результате чего происходит дополнительная очистка поверхности кремниевых пластин. На+8~04 Рис. 6.3в После очистки пластин в трубу подается смесь газов тетрахлорида кремния (5!С1 ) и водорода (Нг).
При этом на поверхности пластин происходит реакция восстановления 5!С!4 с Нг: 51С!, + 2Н, — ~ 3Й + 4НС1 Г. Атомы кремния, перемещаясь по поверхности, занимают места в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При необходимости вырастить эпитаксиальный слой л-типа в смесь газов добавляют фосфин РНг, а для создания пленок р-типа — диборан В,Н,. Скорость роста пленки составляет 0,1 — 1,0 мкм/мин; она зависит от температуры, скорости потока газов и кристаллической ориентации поверхности кристалла.
Из-за высокой температуры процесса атомы диффундируют из пленки в подложку и обратно, что затрудняет получение очень тонких эпитаксиальных пленок. Толщина пленок лежит в пределах от 1 до 15 мкм. Более тонкие пленки (0,1 — 0,2 мкм) можно получить на основе реакции пиролитического разложения силана 5!Н, при температуре 1000 'С: 51Н, -~ 5!4 + 2Н, Г. Легирование Легированиеи называют операцию введения примесей в подложку. Существуют два основных метода легирования — диффузия примесей и ионное внедрение. Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации.
Основной механизм проникновения прнмесного атома в кристаллическую решетку состоит в по- 6.6. Базовые технологические операции следовательном перемещении по вакансиям (пустым узлам) решетки. Число ато- мов вещества 1(х), переносимых в единицу времени через единичную площадь в направлении х, перпендикулярном поверхности подложки, характеризуется пер- вым законом Фика: 1(х) = -1) —, дйс дх ' где  — коэффициент диффузии примеси; дУ/дх — градиент концентрации примеси. Скорость накопления примеси в любой плоскости, перпендикулярной нацравле- нию диффузии, характеризуется вторым законом Фика: длс д'дс — =1) —.
дс дх' У(х, с) = М,ег(с— гас (6.5) Здесь ег(с — символ, обозначающий дополнение функции ошибок до единицы. Формула (6.5) описывает распределение концентрации примесей в зависимости от глубины х и времени с (рис. 6.36, а). н(х) сч(х) 1 х Если диффузия осуществляется из ограниченного источника примеси, когда об- щее количество диффундирующих атомов сохраняется постоянным, решение вто- рого уравнения Фика имеет вид У(х, с) = — ехр —— (6.6) Здесь Я вЂ” общее количество примеси, не изменяющееся с течением времени. Закон распределения примеси как функция координаты х и времени с может быть получен путем решения второго уравнения Фика при определенных условиях проведения процесса. Если диффузия осуществляется из неограниченного источника примесей, когда концентрация примеси на поверхности полупроводника сохраняется постоянной, решение второго уравнения Фика имеет вид 346 Глава 6.
Структуры и технология интегральных микросхем Уравнение (6.6) представляет собой функцию распределения Гаусса, оно позволяет определить распределение АГ(к) в различные моменты времени (рис. 6.36, б). В этом случае с течением времени концентрация примеси на поверхности уменьшается, а плошади под графиками Х(к) остаются неизменными.
Диффузия примеси осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100 — 1200 'С, поддерживаемой с точностью 0,5 'С. Через печь пропускают нейтральный газ-носитель (Хг или Аг), который переносит частицы диффузанта (В,О, или Р,Ог) к поверхности кремниевых подложек, где в результате химических реакций выделяются атомы примеси (В или Р). Диффундируя вглубь кристалла, они создают соответствующее распределение примесей (рис, 6.36, а).
Для получения распределения, соответствующего рис. 6.36, б, предварительно на поверхности кремния создают слой источника примесей. Эта операция называется вагонкой примеси. После этого пластины кремния загружают в кварцевую печь, где происходит диффузия примеси в подложку. Эта операция называется разгонкой принеси, Осиное внедрение примеси (ионная имплантация) происходит в результате бомбардировки поверхности подложки сфокусированным потоком ионов, обладающим энергией от 10 до 300 кэВ.
Плотность тока ионного пучка обычно составляет от 0,1 до 100 мкА/см'. Система сканирования обеспечивает перемещение электронного луча по поверхности кремниевой подложки. Внедряясь в кристаллическую решетку и сталкиваясь с атомами, ионы передают свою энергию атомам подложки, которые смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего нарушается структура решетки (образуются вакансии и атомы между узлами решетки). Поскольку пороговая энергия смещения составляет около 14 эВ, каждый ион с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт может создать на своем цути несколько тысяч подобных дефектов. Израсходовав всю свою энергию, внедренный атом может оказаться либо в узле кристаллической решетки, либо между узлами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
