Студопедия — Глава 5. Технологические основы микроэлектроники
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Глава 5. Технологические основы микроэлектроники






5.1. Эпитаксия. Эпитаксия − процесс наращивания монокристаллических слоёв на подложку, при котором в слое наращиваемом повторяется кристаллографическая ориентация подложки. Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоёв полупроводника на толстой подложке.

При хлоридном процессе эпитаксии поток водорода с примесью SiCl4 пропускают над подложкой. При высокой температуре (около 1200°С) на поверхности пластин происходит реакция

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl

и на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния. Если к парам SiCl4 добавить пары соединений бора (В2Н6) или фосфора (РН3), то эпитаксиальный слой будет иметь дырочную или электронную проводимость. Поэтому эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке с любыми типом и величиной проводимости (рис. 5.1).

 

Рис. 5.1

 

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, что затрудняет создание сверхтонких (<1мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в настоящее время играет однослойная эпитаксия.

Заметим, что кроме газовой эпитаксии существует жидкостная эпитаксия − наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, содержащей необходимые компоненты.

5.2. Термическое окисление. Получаемая при окислении плёнка SiO2 выполняет следующие важные функции:

;функцию защиты (пассивации поверхности, в частности, защиты вертикальных участков p − n-переходов (рис. 5.2,а);

;функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 5.2,б);

;функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП- транзистора (рис. 5,в).

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000 − 1200°С). Такое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Процесс окисления проводится в окислительных печах, получаемая в них плёнка SiO2 имеет аморфную структуру.

 

Рис. 5.2

Главную роль в окислении кремния играет диффузия кислорода через окисел к ещё не окисленному кремнию. Сухое окисление идёт в десятки раз медленнее влажного. С уменьшением температуры на каждые 100°С время окисления возрастает в 2 − 3 раза.

В технологии ИС различают «толстые» и «тонкие» окислы SiO2. Толстые окислы (0,5 − 0,8 мкм) выполняют функции защиты и маркировки, а тонкие (0,05 − 0,15 мкм) − функцию подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах..

Качество окисной плёнки повышается с уменьшением температуры её выращивания, поэтому тонкий подзатворный слой получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление.

5.3. Легирование. Л егирование путём диффузии − основной способ внедрения примесей в полупроводниковую пластину или эпитаксиальный слой. Диффузия может быть общей (по всей поверхности пластины) и локальной (на выбранных участках через окна в маске). Общая диффузия образует в пластине тонкий слой с неоднородным по глубине распределением примеси (рис. 5.3,а), при локальной диффузии примесь распространяется и вглубь пластины, и во всех перпендикулярных направлениях (боковая диффузия). Типичной глубиной боковой диффузии можно считать значение 0,7 L (рис. 5.3,б).

 

Рис. 5.3

 

Диффузию можно проводить однократно и многократно (для образования слоёв разной проводимости: р или п), при этом надо иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, в противном случае проводимость не изменится. Достижимое значение концентрации примеси ограничена особым параметром − предельной растворимостью примеси, которая зависит от температуры и при некоторой температуре достигает максимума.

Примеси, вводимые диффузией, называют диффузантами. Источники диффузантов есть их химические соединения, которые могут быть жидкостями, твёрдыми телами и газами.

Те6ория диффузии основана на двух законах Фика. 1-й закон связывает плотность потока частиц J c градиентом их концентрации. Для одномерного случая

 

,

 

где D − коэффициент диффузии, N − концентрация.

2-й закон Фика характеризует скорость накопления частиц

 

.

Из последнего уравнения можно найти функцию , то есть распределение концентрации в любой момент времени. В случае ограниченного источника примеси решение для N имеет вид

 

 

Под глубиной диффузионного слоя (глубиной диффузии) понимают координату x = LN, при которой концентрация введённой примеси равна концентрации исходной примеси. Для ограниченного источника имеем

 

,

 

что позволяет сделать два важных вывода:

− время проведения диффузии пропорционально квадрату желательной глубины диффузии; в ИС глубина рабочих диффузионных слоёв лежит в пределах 1 − 4 мкм;

− при заданной глубине диффузионного слоя изменения коэффициента диффузии эквивалентно изменениям времени процесса.

Ионная имплантация. Ионная имплантация есть метод легирования путём бомбардировки ионами примеси, ускореннымт до достаточной для внедрения в твёрдое тело энергии. Во избежание радиационных эффектов энергию ионов ограничивают значениями 100 − 150 кэВ, нижний уровень составляет 5 − 10 кэВ, так что глубина слоёв имплантации лежит в пределах 0,1 − 0,4 мкм (значительно меньше типичной глубины).

Поскольку площадь ионного пучка меньше площади пластины, пучок нужно сканировать. По завершении процесса легирования пластину подвергают отжигу.

Главные преимущества ионной имплантации − низкая температура процесса и его хорошая контролируемость. Низкая температура обеспечивает возможность проведения ионной имплантации на любом этапе технологического цикла, не вызывая при этом дополнительной диффузии примесей в ранее изготовленных слоях.

5.6. Травление. В общем случае травление следует рассматривать как не механические способы изменения рельефа поверхности твёрдого тела.

Химическое травление − это химическая реакция жидкого травителя с твёрдым телом с образованием растворимого соединения, которое в дальнейшем удаляется. Травление даёт высокую точность процесса, так как стравливание происходит плавно − один молекулярный слой за другим. Подобрав состав травителя и режим травления, можно точно регулировать толщину удаляемого слоя. Отметим, что рецептура травителей для каждого материала подбирается экспериментально..

Характерной особенностью локального травления (через маску) является подтравливание − травление идёт не только в глубь пластины, но и в стороны под маску. Поэтому стенки вытравленного рельефа не совсем вертикальны, а площадь углубления несколько больше площади окна в маске.

Электролитическое травление − реакция происходит при протекании тока через жидкости, а твёрдое тело играет роль анода. Поэтому твёрдое тело должно быть достаточно электропроводным, что ограничивает круг используемых материалов. При таком травлении есть возможность регулировать скорость травления изменением тока.

При ионном травлении пластина кремния находится в разреженном пространстве рядом с тлеющим разрядом в объёме квазинейтральной электронно-ионной плазмы. При отрицательно заряженной пластине положительные ионы плазмы бомбардируют поверхность пластины и слой за слоем выбивают атомы с поверхности. Преимущества локального ионного травления − отсутствие подтравливания под маску, вертикальность стенок вытравленного рельефа и универсальность (не требуется подбор травителей для каждого материала).

Метод анизотропного травления основан на зависимости скорости химической реакции от кристаллографического направления − наименьшая по направлению (111), наибольшая по направлению (100). Поэтому стенки лунок могут приобретать определённый рельеф − огранку. Углы, под которыми вытравливаются боковые стенки, строго определены и поддаются расчёту. Если края окон в маске ориентированы по осям (100), то отсутствует явление подтравливания.

5.7. Техника масок. Маски обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность отверстий − окон. Первое место в технологии изготовления масок − фотолитография, в основе которой лежит использование фоторезистов. Последние бывают негативными (под действием света становятся устойчивыми к травителям) и позитивными (под действием света разрушаются).

Рисунок будущей маски изготавливается как фотошаблон- толстая стеклянная пластина, на одной стороне которой нанесена непрозрачная плёнка с рисунков в мвиде прозрачных отверстий, размеры которых в масштабе 1:1 соответствуют размерам будущих элементов ИС.

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске SiO2 на поверхности пластины таков (рис.5.4). На слой SiO2 нанося каплю фоторезиста, распределяют по всей поверхности слоем 1 мкм и высушивают. Затем накладывают фотошаблон, экспонируют его в лучах кварцевой лампы и снимают. После проявления и закрепления в фоторезисте появляютса окна, через которые выполняется травление окисного слоя вплоть до кремния. После удаления фоторезистивной маски получаем кремниевую пластину с окисной маской.

А б в

Рис.5.4

а− экспозиция фоторезиста (ФР) через фотошаблон (ФШ); б − локальное травление двуокиси кремния через фоторезистную маску; в − окисная маска после удаления фоторезиста.

 

В технологических циклах производства ИС возникает проблема совмещения фотошаблонов, причём допуск доходит до сотых долей микрометра Техника совмещения состоит в том, что на фотошаблонах делают специальные «отметки» (крестики или квадратики), которые переходят в рисунок на окисле и просвечивают сквозь плёнку фоторезиста. Эти отметки совмещают с аналогичными отметками на очередном фотошаблоне.

В настоящее время фотошаблоны изготавливаются только с помощью компьютерных комплексов комплектами по числу операций фотолитографии в технологическом цикле. Одно из слабых мест классической фотолитографии − механический контакт фотошаблона с покрытой фоторезистом пластиной, который никогда не может быть совершенным. Конкурирующий метод − проекционная фотолитография, когда рисунок фотошаблона проектируется на пластину специальной оптической системой.

Из-за дифракции света разрешающая способность фотолитографии ограничена размерами 1− 0,4 мкм для источника ультрафиолетовой засветки фотошаблона. За последние годы нашла применение электронная литография, суть которой − в сканировании по поверхности покрытой резистом пластины сфокусированного пучка электронов и управлении интенсивностью пучка по заданной программе. Чем меньше диаметр пучка, тем меньше его ток и тем больше время экспозиции. Поэтому рост разрешающей способности приводит к росту длительности процесса.

5.8. Нанесение тонких плёнок. Существуют три основных метода нанесения тонких плёнок на подложку и друг на друга, которые и рассмотрены ниже.

Термическое (вакуумное) напыление. Схема этого метода дана на рис. 5.5. Колпак 1 (металл или стекло) закреплён на опорной плите 2.

 

Рис. 5.5

 

Между ними прокладка 3 для поддержания вакуума. Плата 4 закреплена на держателе 5, к которому примыкает нагреватель 6. Испаритель 7 содержит нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная пластинка перекрывает поток паров от испарителя к подложке для завершения напыления.

Для получения качественной плёнки температура подложки должна быть в оптимальных пределах (200 − 400°С). Прочность связи (сцепления плёнки с подложкой или другой плёнкой) называется адгезией. Для повышения адгезии при необходимости на подложку сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая.

Критерием необходимого вакуума в процессе может быть условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако на практике вакуум должен быть как можно более высоким − не хуже 10-6 мм рт. ст.

Главные достоинства рассмотренного метода − простота и возможность получения очень чистых плёнок.

Катодное напыление. Схема этого метода показана на рис.5.6. Здесь компоненты те же, что и на рис. 5.5, но место

 

 

Рис. 5.6

испарителя занимает катод 6, состоящий из напыляемого вещества. Подложка с держателем 4,5 являются катодом. Объём сначала откачивают до 10-5 − 10-6 мм рт.ст., затем через штуцер 8 вводят аргон до давления 10-1 − 10-2 мм рт.ст. При подаче высокого напряжения (2 − 3 кВ) возникает аномальный тлеющий разряд, при котором положительные ионы газа выбивают из катода вместе с электронами и нейтральные атомы, что аналогично испарению катода.

Преимущество этого метода − распыление катода не связано с высокой температурой. При использовании реактивного или химического катодного напыления к инертному газу добавляют долю активных газов, образующих нужные соединения с распыляемым материалом катода.

Ионно-плазменное напыление. Принципиального различия между процессами катодного и ионно-плазменного напыления нет, различаются лишь конструкции установок. Преимущества собственно ионно-плазменного напыления по сравнению с катодным состоят в большей скорости напыления и повышенное качество плёнок из-за более высокого вакуума.

Анодирование. Анодирование − один из вариантов ионно-плазменного напыления,его суть − окисление поверхности металлической плёнки ионами кислорода из плазмы газового разряда. Качество окисных плёнок, полученных методом анодирования, выше, чем при использовании других методов.

Электрохимическое осаждение. В основе этого процесса лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей: если надо осадить медь, используют раствор медного купороса, а если золото или никель − растворы соответствующих солей. Если подложка является диэлектриком, на неё предварительно наносят тонкий металлический подслой. Большое преимущество процесса – в большой скорости, которая к тому же легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике − получение относительно толстых плёнок (10 − 20 мкм и более).

5.7. Технология тонкоплёночных гибридных ИС (ГИС). ГИС – это совокупность плёночных пассивных элементов и навесных активных компонентов.

Изготовление пассивных элементов. Тонкоплёночные элементы реализуются технологическими методами, описанными в п 5.6. Фотолитография осуществляется так: на подложку наносят сплошные плёнки нужных материалов (например, резистивный слой, а поверх него – проводящий слой. Затем поверхность покрывают фоторезистом и с помощью фотошаблона создают в нём рисунок для проводящего слоя. После травления проводящего слоя фоторезист удаляют, остаётся нужный рисунок проводящего слоя. Для нанесения слоёв другого материала операцию литографии повторяют. Для резистивных плёнок применяют хром,никель и кермет из смеси хрома и моноокиси кремния. Для обкладок конденсаторов используют алюминий, для диэлектрических слоёв плёночных кондесаторов наибольшее распространение нашли моноокись кремния SiO и моноокись германия GeO.

Толщина наносимых плёнок контролируется в процессе нанесения. Для резистивных плёнок используется свидетел ь – слой на периферии подложки с двумя внешними выводами. Геометрия свидетеля известна, и когда его сопротивление достигает нужного значения, напыление прекращают. Сопротивление рабочих слоёв будет таким же, так как они напылялист в одинаковых условиях.

Подложки плёночных ГИС должны иметь хорошие изолирующие свойства, высокую теплопроводность, достаточную механическую прочность. Температурный коэффициент расширения должен быть близким к таковым используемых плёнок. В настоящее время наиболее используемы как подложки ситалл и керамика. Ситалл − кристаллическая разновидность стекла, а керамика − смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (главные составляющие Al2O3 и SiO2).

Обычно ГИС изготавливаются групповым методом. ПО завершении технологических операций проводится выходной тестовый контроль и при необходимости подгонка параметров пассивных элементов. Только после контроля пластины скрайбируются и снабжаются навесными элементами.

 

Контрольные вопросы

1.Для чего при производстве ИС на монокристаллических подложках выращивают эпитаксиальные слои кремния.

2. Назовите акцепторные примеси для легирования кремния. Какие донорные примеси кремния вы знаете.

3. Назовите основные операции технологического процесса изготовления ИС.

4. Какие способы окисления кремния вам известны. В чём их принципиальное отличие.

5. Напишите уравнения двух законов Фика.

6. Как распределяются примеси при ионной имплантации. Какие факторы оказывают влияние на это распределение.

7. Что такое анизотропное травление. Для решения каких задач применяют анизотропное травление.

8. Какие методы изготовления фотошаблонов вам знакомы.

9. Почему разрешающая способность литографии зависит от длины волны источника экспонирования.

10. Каковы в настоящее время пределы разрешения литографии.

11. Какие методы нанесения тонких плёнок металлов и диэлектриков вам знакомы.

12. Как при изготовлении проводников ИС избежать образования р−п -переходов и барьеров Шоттки.

13. Чем обусловлены максимально достижимые пределы миниатюризации проводников ИС.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 967. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

Пункты решения командира взвода на организацию боя. уяснение полученной задачи; оценка обстановки; принятие решения; проведение рекогносцировки; отдача боевого приказа; организация взаимодействия...

Что такое пропорции? Это соотношение частей целого между собой. Что может являться частями в образе или в луке...

Растягивание костей и хрящей. Данные способы применимы в случае закрытых зон роста. Врачи-хирурги выяснили...

Понятие метода в психологии. Классификация методов психологии и их характеристика Метод – это путь, способ познания, посредством которого познается предмет науки (С...

ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ФОРМЫ ДЛЯ ИНЪЕКЦИЙ К лекарственным формам для инъекций относятся водные, спиртовые и масляные растворы, суспензии, эмульсии, ново­галеновые препараты, жидкие органопрепараты и жидкие экс­тракты, а также порошки и таблетки для имплантации...

Тема 5. Организационная структура управления гостиницей 1. Виды организационно – управленческих структур. 2. Организационно – управленческая структура современного ТГК...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия