книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

7. Технология изготовления микросхем

кационные монокристаллы. Получаемые методом Чохральского монокри­ сталлы имеют форму цилиндра длиной до 1 м и более и диаметром 20.. .300 мм.

Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданно­ го размера с точностью ±1 мм. Затем проводится травление его поверхности на глубину 0,3...0,5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для Si, например, чаще всего по оси < 111>), чтобы получить после резки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Пра­ вильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине приборов методом

диффузии, эпитаксии и др.

7.3. Резка монокристалла и получение пластин

Резку монокристаллов на пластины осуществляют чаще всего абра­ зивными дисками с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой разме­ ром 40...60 мкм. Толщина режущей алмазной кромки диска составляет 0,18...0,20 мм, при этом ширина реза получается 0,25...0,35 мм.

Так как на поверхности пластин остаются царапины, сколы, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры поверхностного слоя, пластины шлифуют, травят и полируют. При шлифовании достигается неплоскопараллельность пластин не более 3 мкм и прогиб по поверхности не более 10 мкм. При травлении удаляется нарушенный слой толщиной 5...30 мкм и снимаются внутренние напряжения, возникшие в процессе шлифования.

222

7.5. Полупроводниковые микросхемы

Окончательная тонкая доводка поверхности пластин проводится по­ лированием абразивными порошками или пастами, а затем химико-меха­ ническим способом с применением суспензий, золей и гелей. В результате получают полупроводниковую пластину диаметром 20...250 мм толщиной от десятков до нескольких сотен микрометров с шероховатостью обрабо­ танной поверхности не более 0,04 мкм.

7.4. Изготовление фотошаблонов

Фотошаблоны широко применяются в технологии ИМС как на стадии формирования активных элементов в полупроводниковом материале, так и при создании пассивных элементов и межсоединений.

Фотошаблон — стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем — покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответст­ вии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны X. > 300 нм), либо из кварцевого стекла (при X < 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фото­ шаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образую­ щие твердые износостойкие покрытия.

К фотошаблонам для производства полупроводниковых структур предъявляется комплекс требований, к которым в первую очередь следует отнести следующие: оптическая плотность маскирующего материала долж­ на быть не менее 2,0; толщина маскирующего материала — не более 100 нм; его отражательная способность не выше 15 %; неплоскостность — от не­ скольких мкм до десятков мкм (для разных классов фотошаблонов); микродефектность порядка 0,1 см '2; краевая четкость рисунка не ниже 0,1 мкм для элементов изображения с размером менее 1 мкм.

7.5. Полупроводниковые микросхемы

Конструкция полупроводниковой МС полностью определяется ее фи­ зической структурой (совокупностью слоев в кристалле, отличающихся ма­ териалом и электрофизическими свойствами) и топологией (формой, разме­ рами, относительным расположением отдельных областей и характером межсоединений по поверхности кристалла). Можно также сказать, что структура — это чертеж поперечного сечения кристалла ИМС, а топология — вид в плане (рис. 5 цветной вклейки).

223

7. Технология изготовления микросхем

Рис. 7.4. Фрагмент ИМС:

а — структура; б — топология; ] — исходная монокристаллическая пластина — подложка; 2 — скрытый слой; 3 — эпитаксиальный слой (он же коллекторный); 4 — базовый слой; 5 — эмитгерный слой; 6 — разделительный слой; 7 — изолирующий слой с контактными окнами; 8 — слой металлизации; 9 — защитный слой (обычно Si02)

На рис 7.4, а приведен фрагмент структуры ИМС, представляющей собой л-р-я-транзистор, и включенный в коллекторную цепь резистор, а на рис. 7.4, б — топология этого же участка.

Каждый из слоев 2— 6 представляет собой совокупность отдельных островков (областей), имеющих одинаковые толщины, тип проводимости (электронная л или дырочная р) и характер распределения примеси по тол­ щине. Это достигается одновременным введением примеси через окна за­ щитной маски из S1O2, формируемой предварительно на поверхности пла­ стины-кристалла. В отличие от слоев 2— 6 слои 7, 8 и 9 получают путем формирования сплошной пленки и последующего избирательного травления с использованием фотошаблона. В результате изолирующий слой 7 (S i02) содержит контактные окна, слой металлизации 8 (обычно А1) — систему соединительных проводников и периферийные монтажные площадки, а слой 9 — окна над монтажными площадками.

Приведенная структура получила название эпитаксиально-планарной. Она предполагает взаимную изоляцию смежных элементов за счет обратносмещенных р-я-переходов на границах изолирующего слоя. Высоколегиро­ ванный скрытый слой (л+) служит для уменьшения сопротивления коллек­ торов транзисторов и за счет этого повышения их быстродействия. Области п под коллекторными контактами исключают образование потенциального барьера (барьера Шотки), обеспечивая, таким образом, омический контакт со слаболегированным коллектором, и принадлежат эмиттерному слою.

224

лупроводниковой структуры следующая. В исходной пластине-подложке /?-типа формируются области скрытого слоя (п¥). Далее осаждается сплошной монокристаллический (эпитаксиальный) слой кремния я-типа, поверхность которого окисляется. Затем формируются области разделительного слоя (р*) с таким расчетом, чтобы они сомкнулись с подложкой. Образующиеся при этом островки эпитаксиального слоя образуют коллекторный слой (я). Внутри коллекторных областей формируются базовые /7-области (базовый слой), а внутри базовых областей — эмиттерные (эмиттерный я"-слой).

В дальнейшем обработка происходит на поверхности — формируются изолирующий слой (Si02), слой металлизации (А1) и защитный слой (Si02). При этом обработка осуществляется по циклу «нанесение сплошной пленки — фотолитография ».

Таким образом, для получения рассматриваемой структуры необхо­ дим комплект из семи фотошаблонов.

7.6. Л еги р о в ан и е м етодом тер м и ч еско й диф ф узии прим есей

Вподавляющем большинстве случаев легирующая примесь вводится

вмонокристаллический кремний с целью изменения типа проводимости и образования /?-я-перехода на определенной глубине. Изменение типа прово­ димости происходит, если максимальная концентрация введенной примеси превышает исходную (JVhcx) концентрацию. Образование р-я-перехода про­ исходит на глубине Хп, где концентрация введенной примеси оказывается равной исходной.

7. Технология изготовления микросхем

см2 • с"1; X — глубина проникновения частиц в направлении X, см (в рас­ сматриваемом случае — по нормали к поверхности кристалла); N — кон­ центрация частиц (атомов примеси), см ' 3.

Множитель dN/dX представляет собой градиент концентрации приме­ си, см-4, в направлении X. С повышением температуры процесса коэффици­ ент диффузии быстро (экспоненциально) возрастает, так как возрастает энергия атомов легирующей примеси. В плотной структуре оксидной маски (Si02) коэффициент диффузии существенно меньше, за счет чего и обеспе­ чивается избирательность легирования.

При высокой температуре процесса (порядка 1000 °С) атомы как ис­ ходной, так и вводимой примеси ионизированы и образуют электрическое поле, всегда ускоряющее процесс диффузии. Зависимость коэффициента диффузии (в логарифмическом масштабе) от f и No при двух значениях ис­ ходной концентрации N„cxприведена на рис. 7.7.

Концентрация введенной примеси с глубиной меняется непрерыв­ но, что описывается дифференциальным уравнением (уравнением непре­

Отсюда следует, что в элементарном объеме кристалла толщиной дх и площадью в 1 см 2 за время dt происходит накопление примеси (8N > 0), если плотность потока убывает (dJ< 0), и наоборот.

Решая совместно уравнения (7.1) и (7.2) можно получить 2-е уравне­ ние диффузии, отражающее протекание процесса диффузии во времени:

226

7.6. Легирование методом термической диффузии примесей

Рис. 7.7. Зависимость коэффициента диффузии фосфора и бора в кремний от температуры процесса диффузии: NKCXи N0 — исходная и поверхностная концентрации примеси, см-3

Решение этого уравнения при определенных граничных условиях представляет собой функцию распределения N(x).

На практике используются два варианта проведения процесса — диф­ фузия из постоянного внешнего источника и диффузия из конечного по­ верхностного источника.

В первом случае внешний (вне рабочей камеры) источник постоянно поставляет к поверхности пластин-заготовок примесь в газообразном со­ стоянии, причем ее расход отрегулирован так, что на поверхности пластины поддерживается постоянная концентрация N0, хотя примесь при этом посту­ пает в глубь кристалла. Процесс выполняют до тех пор, пока />-л-переход не окажется на заданной глубине.

При N0= const решение уравнения (7.3) приводит к функции:

где erfc(F) = 1 - erf(K) — дополнение функции ошибок erf(F) (до единицы). Значения функции erfc(V) приведены в табл. 7 .1.

227

8*

Поскольку в данном случае может быть создана и выдержана до конца процесса предельно высокая концентрация на поверхности кристалла, этот одностадийный процесс рекомендуется для областей п и р* (эмиттерные области в биполярных транзисторах, истоки и стоки МДП-транзисторов). Характер изменения профиля распределения примеси при постоянном внешнем источнике с течением времени приведен на рис. 7.8, из которого видно, что с течением времени р-л-переход углубляется. Для вычисления необходимого времени прохождения процесса технологу должны быть за­ даны разработчиком физической структуры параметры Х„, Л'Ь и N„сх.

В случае конечного поверхностного источника (вторая стадия двух­ стадийного процесса) поверхность кристалла содержит определенное количе­ ство примеси на единицу площади, и процесс сводится к перераспределению

228

7.6. Легирование методом термической диффузии примесей

N

N

(разгонке) ее по глубине до тех пор, пока /?-и-переход не углубится на за­ данную величину Х„. Таким образом, количество примеси, введенное пред­ варительно в поверхностный слой, или доза легирования Q, см"2, сохраняет­ ся постоянной до конца процесса разгонки.

При Q = const решение уравнения (7.3) приводит к функции:

(7.5)

где Dpu tp— коэффициент диффузии и время процесса разгонки.

При отсутствии внешнего источника примеси разгонка происходит при непрерывном уменьшении концентрации примеси на поверхности.

Характер изменения профиля распределения примеси с течением вре­ мени приведен на рис. 7.9, из которого следует, что концентрация примеси на поверхности постепенно убывает, р-и-переход углубляется, а доза леги­ рования Q, характеризуемая площадью под кривой распределения, остается неизменной.

Необходимая доза легирования Q обеспечивается на первой стадии процесса (загонка примеси) с постоянным внешним источником примеси:

где D3 и — коэффициент диффузии и время процесса загонки; Л'оз — кон­ центрация примеси, поддерживаемая на поверхности пластины в течение процесса загонки.

229

7. Технология изготовления микросхем

2

Аргон

Диффузант

230

7.7. Л еги р о в ан и е м етодом ионной и м п л ан тац и и

При ионной имплантации атомы легирую щ ей примеси ионизируют в сильном электрическом поле и облучаю т потоком ионов поверхность пластины с подготовленной заранее оксидной маской (рис. 7.11). Имея при подлете к поверхности одинаковую энергию , ионы при вхождении в кремний испытываю т многократные столкновения с ядрами и кулонов­ ское взаимодействие с электронами атомов кремния. Это приводит к по­ степенному тормож ению ионов вплоть до полной остановки. Путь, прой­ денный отдельным ионом в кристалле кремния (длина пробега), является величиной случайной и для совокупности ионов, внедренных в кристалл, оценивается средним значением пробегов А*р.

Разброс отдельных пробегов относительно среднего значения оцени­

вается средним квадратическим отклонением а .

Параметры распределения пробегов ^ и о зависят от энергии ионов Я и от эффективного диаметра атома примеси (иначе говоря от порядкового номера z в периодической системе элементов). Чем выше Е и меньше z, тем больше ХсР и а (табл. 7.2).

Ф Ф Ф Ф Ф Ф ф Si02

/

0 N„a No Кт

ТёрТ т т

Рис. 7.11. Легирование ионной имплантацией

231