146122 (729232), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рис 11 наглядно демонстрирует процесс фотолитографии. На поверхность двуокиси кремния наносится равномерный слой фоторезиста. Сверху на него накладывается фотошаблон. Сквозь него фоторезист засвечивается ультрафиолетовым светом. После этого пластину с фоторезистом проявляют; в процессе проявления засвеченные участки фоторезиста стравливаются и в этих местах обнажается поверхность двуокиси кремния. Оставшийся (незасвеченный) слой фоторезиста подвергают термическому дублению – полимеризации, в результате чего этот слой становится нечувствительным к химическим травителям. Поэтому, когда на следующем этапе пластину подвергают травлению, растворяются лишь обнаженные участки двуокиси кремния, вплоть до поверхности самой пластины, вследствие чего в оксидной маске получается необходимая совокупность «окон», через которые в дальнейшем проводят локальную диффузию или напыление контактов. Далее удаляется задубленный слой фоторезиста и пластина с оксидной маской готова к дальнейшей обработке.

5 Методы получения полупроводниковых слоев и переходов

Все рассмотренные ранее этапы технологии производства ИС можно охарактеризовать как предварительные. Действительно, проделав эти действия мы получим лишь заготовку интегральной схемы. Теперь же надо монтировать на ней элементы, которые и будут определять работу готового изделия. Для этого на пластине необходимо создать полупроводниковые слои и переходы. Данные этапы являются предварительными и основными этапами сборки микросхемы.

Полупроводниковые структуры интегральных микросхем нельзя изготовить, не применив хотя бы один из трех процессов: эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев, диффузионное и ионное легирование. Рассмотрим каждый из них.

5.1 Эпитаксия

Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе роста эпитаксиального слоя выполняют ориентирующую роль затравки, на которой происходит кристаллизация.

Эпитаксиальные слои можно наращивать в вакууме, из парогазовои и жидкой фазы.

В зависимости от состава материалов слоя и подложки различают процессы автоэпитаксии и гетероэпитаксии. Если составы материалов практически одинаковы, например слой кремния на кремниевой пластине, процесс называют автоэпитаксией. Гетероэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося по химическому составу от вещества подложки.

Для осаждения слоев кремния из парогазовой фазы в промышленном производстве используют кремнийсодержащие соединения: тетрахлорид кремния, силан. В соответствии с применяемыми исходными продуктами называют и методы: хлоридный и силановый.

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом.

В

Рис 12. Примеры использования процесса диффузии примесей.

а) – локальная диффузия в пластину;

б) – локальная диффузия в эпитаксиальный слой;

в) – общая диффузия на одной из поверхностей пластин;

г) – двойная диффузия: общая (р-слой) и локальная (n-слой).

результате реакции на подложке осаждается чистый кремний, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же структуру и ориентацию, что и подложка.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары галоидных соединений бора (BBr₃) или фосфора (PCl₃), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а примесную проводимость, поскольку в ходе химической реакции в кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

5.2 Диффузионное легирование

Внедрение примесей в исходную пластину (в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является одним из основных способов создания диодных и транзисторных структур в интегральной технологии.

Диффузия может быть локальной и общей. В первом случае она осуществляется на определенных участках пластины через специальные маски (рис 12 а, б), во втором – по всей поверхности (рис 10 в).

Диффузию можно проводить и однократно и многократно (двойная, тройная диффузия). Например, в исходную пластину n-типа можно во время первой диффузии внедрить акцепторную примесь и получить р-слой, а затем во время второй диффузии внедрить в полученный слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру (рис 10 г).

5.3 Ионное легирование

Основной особенностью ионного легирования является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Возможно получение неглубоких однородно легированных слоев, а также резких р-n переходов. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов.

И онное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значи­тельной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис 13) ионы примеси из источника ионов входят в анализатор по массе. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неодно­роден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду приме­няют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит Поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 6О⁰ или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов, к электродам которого от отдельного высоковольтного исто­чника подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Уско­ренные ионы через щель поступают в фокусирующую систему, а затем в скани­рующую систему, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине, расположенной в приемной камере. В ус­тановке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ио­нов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких мил­лиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1  2 мм². Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75  150 мм в разных установках со­ставляет 96  24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1  0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффу­зионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиен­ты) распределения примеси.

Ионное легирование характеризуется универсальностью и гибкостью, позволя­ет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регу­лировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряже­ния источника). Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до комнатных, благодаря чему сохраняются исходные элект­ростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиа­ционных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморф­ного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900  1100°С).

6 Технология полупроводниковых биполярных и МДП ИМС

Итак, теперь мы подошли вплотную к основным технологическим операциям изготовления интегральных микросхем.

Современные интегральный микросхемы (в дальнейшем – ИМС) можно разделить на два класса: полупроводниковые и гибридные. К гибридным относятся ИМС, в которых содержатся отдельные навесные элементы. К полупроводниковым относятся ИМС, все элементы которой выполняются в объеме или на поверхности единой полупроводниковой подложки. В процессе изготовления такой схемы необходимо избирательно формировать транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и их соединения на одной полупроводниковой пластине – подложке и обеспечивать достаточно хорошую изоляцию, исключающую паразитное взаимодействие между ними.

6.1 Элементы ИМС

Технология ИМС предполагает значительное отличие элементной базы от обыкновенной электротехники. На рис 13 представлены основные элементы ИМС.

П олупроводниковая ИМС имеет общую подложку из кремния р-типа. На ней выполняются транзисторы (рис 14 а), резисторы (рис 14 б), конденсаторы (рис 14 в) и диоды.

Диоды образуют из транзисторных структур, используя различные способы соединений их электродов.

Имеется пять способов включения транзистора как диода, отличающихся различной крутизной прямой ветви ВАХ и временем восстановления обратного сопротивления. Наименьшее время переключения имеет диод, одним электродом которого служит эмиттер, а другим – соединенные вместе коллектор и база.

Полупроводниковые резисторы изготовляют одновременно с активными элементами. Они обычно выполняются в виде прямоугольного слоя полупроводника при базовой диффузии и называются диффузионными. В таких резисторах используется объемное сопротивление материала, имеющего определенную степень легирования. Диффузионные резисторы могут иметь номинальные значения сопротивлений от нескольких ом до двух десятков килоом.

Конденсаторы полупроводниковых ИМС выполняются двух видов. Часто в качестве конденсаторов используют смещенный в обратном направлении р-n переход. Емкость такого конденсатора зависит от величины обратного напряжения, а последовательно с ней всегда оказывается включенным большое объемное сопротивление полупроводникового материала. Таким образом можно изготовить конденсаторы емкостью до сотни пикофарад. Другой разновидностью являются металл-окисел-полупроводниковые конденсаторы, которые образуются областью n⁺-типа (от эмиттерной диффузии) и металлической пленкой алюминия, разделенными слоем двуокиси кремния. Эти конденсаторы могут иметь емкость до нескольких сотен пикофарад.

Рассмотренные элементы полупроводниковых ИМС обладают паразитными компонентами, ограниченным диапазоном номинальных значений и весьма малыми рассеиваемыми мощностями. При разработке топологии ИМС необходимо стремиться к исключению паразитных связей между ее элементами и к обеспечению требуемого теплоотвода.

6.2 Изготовление биполярных ИМС с изоляцией p-n переходами

Н а рис 15 показана структура интегрального n-р-n-транзистора изолированного p-n переходом. В этом транзисторе подложкой является кремний р-типа; на ней созданы эпитаксиальный n-слой и так на­зываемый скрытый n⁺-cлoй. Изолирующий р-n-переход создается путем диффузии ак­цепторной примеси на глубину, обеспечивающую соединение образу­ющихся при этой диффузии р-областей с р-подложкой. В этом случае эпитаксиальный n-слой разделяется на отдельные n-области (изоли­рующие «карманы»), в которых и создаются потом транзисторы. Эти области будут электрически изолированы только в том случае, если образовавшиеся р-n переходы имеют обратное включение. Это дости­гается, если потенциал под­ложки n-р-n транзистора бу­дет наименьшим из потенци­алов точек структуры. В этом случае обратный ток через р-n переход незначителен и практически исключается связь между n-областями (карманами) соседних тран­зисторов.

Теперь, зная принцип изоляции p-n переходом, и воспользовавшись материалом предыдущих пунктов, можно дать развернутое описание технологии.

а) Изготовление биполярных ИМС методом разделительной диффузии насквозь эпитаксиального слоя (рис 16) состоит из двух этапов: изготовления эпитаксиальной структуры со скрытыми n⁺-областями (а-в) и изготовления биполярной ИМС на этой структуре (г-з).

Э

з)

питаксиальные структуры обычно изготавливают в отдельном процессе. Легирующая примесь для скрытых n⁺-областей должна иметь высокую растворимость в кремнии при малой глубине диффузии. Поверхностная концентрация скрытого слоя не должна быть слишком высокой, так как это увеличивает диффузию в растущий эпитаксиальный слой, а также механические напряжения и плотность дислокаций, вызванные несоответствием атомных радиусов кремния и примеси. В связи с этим для получения скрытого n⁺-слоя применяют сурьму и мышьяк, которые имеют меньшие, чем фосфор, коэффициенты диффузии. Однако при использовании мышьяка в скрытых слоях наблюдается большое количество дефектов. Поэтому для создания высоковольтных биполярных микросхем скрытые слои легируют преимущественно сурьмой.

Эпитаксиальный n-слой выращивают обычно хлоридным методом. Толщина слоя 3  25 мкм в зависимости от назначения ИМС.

По рассмотренной технологии изготавливают ИМС первой и второй степени интеграции. Возможности процесса для получения более высоких степеней интеграции ограничены из-за ряда недостатков ИМС: наличия больших токов утечки, большой площади изолирующего р-n перехода, а значит и емкости паразитной связи, низкой радиационной стойкости.

Рис 16 Схема изготовления эпитаксиально-планарной биполярной ИМС с помощбю разделительной диффузии.

а) – термическое оксидирование и первая фотолитография;

б) – локальная диффузия;

в) – эпитаксия;

Характеристики

Список файлов реферата