Технологический процесс формирования биполярных полупроводниковых структур

Наименование операции	Профиль структуры
Очистка пластин р-типа после полировки; определе­ние их качества
Первоначальное окисление; контроль наличия пор и толщины оксида
Фотолитография для создания области скрытого коллектора (используется шаблон I)
Диффузия для создания скрытого слоя коллектора; контроль поверхностного сопротивления области скрытого коллектора
Снятие оксида
Осаждение эпитаксиального слоя кремния л-типа; контроль сопротивления и дефектности эпитаксиаль­ного слоя
Повторное окисление; контроль наличия пор и тол­щины оксида
Фотолитография для проведения диффузии в изоли­рующую область и область базы (шаблон II)
Диффузия, формирующая область базы и изолирую­щее кольцо
Окисление и фотолитография для создания области эмиттера (шаблон III)
Диффузия для создания области эмиттера и замы­кание изолирующего кольца
Первая фотолитография для создания областей п+ под омические -контакты к эмиттеру и коллектору (шаблон IV)
Вторая литография для создания диффузией обла­стей р+ под омический контакт к области базы (шаблон V)
Металлизация алюминием
Фотолитография для создания контактов (шаблон VI); вжигание алюминия
Металлизация и фотолитография для создания межсоединений (коммутации) (шаблон VII); электриче­ский контроль на функционирование; скрайбирование; сборка; выявление отказов и отбраковка; ана­лиз отказов и введение корректив в ТП

 

 

Для первой диффузии используется, как правило, мышьяк, имею­щий меньший коэффициент диффузии, чем фосфор, что позволяет более свободно оперировать дальнейшими тепловыми циклами, которые проводятся при последующих операциях эпитаксии, диффу­зии и окисления (или химического нанесения оксида).

Первое окисление пластин осуществляется при температуре 1000... 1200 °С в особо чистых условиях. Толщина первого оксида составляет обычно 0,5... 1 мкм. Предъявляются строгие требова­ния к бездефектности оксида.

При первой ФЛ в оксиде вытравливают окна, в которые затем проводится диффузия As для создания областей скрытого коллек­тора. На окисленную пластину наносят слой фоторезиста и экспо­нируют его через первый ФШ. При ФЛ опас­ны остающиеся в окнах оксидные островки, которые возникают в основном из-за дефектов ФШ. Под такие островки может не диф­фундировать легирующая примесь, в результате чего после созда­ния области возникнут утечки тока или замыкание цепей эмиттер—коллектор.

Химическая обработка оксида после ФЛ предназначена для уда­ления фоторезиста и подготовки пластин к диффузии. При этой обработке в отличие от обработки перед первым окислением нель­зя применять травление в плавиковой кислоте из-за наличия оксида на поверхности пластин.

Шаблон, используемый для создания области скрытого слоя коллекто­ра, (а) и набор фотошаблонов для фотолитографии (б):

а)1 —кремний; 2, 6 — конфигурация области скрытого коллектора, 3 — оксид; 4— неопасный дефект; 5—опасный дефект; б) 1—для создания скрытого слоя; 2—для проведения диффузии в изолирующую область и область базы р-типа (совмещены); 3— для проведения диф­фузии р-типа в область эмиттера; 4 — для создания межсоединений; 5—для создания окон под омические контакты

Для удаления фоторезиста обычно используют горячую серную кислоту или сухое окисление в кисло­родной плазме. После удаления фоторезиста пластины проходят комплекс обработок в растворителях и кислотах, сушатся и переда­ются на операцию диффузии.

По окончании диффузии для создания скрытого коллектора ок­сид удаляется и на всей поверхности пластины формируется эпитаксиальный слой n-типа. Этот слой легируется мышьяком или фосфором в процессе наращивания. Удельное сопротивление слоя должно составлять около 1 Ом • см, толщина — от 0,2 до 10 мкм в зависимости от типа приборов.

Следующие операции — окисление поверхности, ФЛ и травле­ние окон — проводятся для создания области базы и изолирующей диффузионной области. Последняя состоит из замкнутых (кольцевых) участков р+-типа, простирающихся от поверхности кремния через эпитаксиальный слой n-типа к подложке исходного материа­ла р-типа. По завершении изолирующей диффузии эпитаксиальные слои n-типа будут отделены друг от друга областями р-типа: под­ложкой р-типа снизу и изоляционной р+-областью по сторонам.

Изолирующая диффузия обычно протекает в два этапа: на пер­вом осуществляется ввод примеси (бора) и формирование области ее высокой концентрации (загонка). На втором — продолжитель­ный цикл перераспределения примеси, в результате которого бор, образующий р — n-переход, должен проникнуть на достаточную глубину (разгонка).

Повторное окисление во время перераспределения изолирующе­го слоя облегчает маскирование для последующей базовой диффу­зии. Эта операция часто разбивается на два отдельных тепловых цикла диффузии примеси р-типа. Нормальная глубина перехода должна составлять 1,2... 2 мкм.

Диффузия бора для создания базы проводится, как правило, в две стадии, причем после первой стадии образовавшееся боросиликатное стекло должно быть удалено с поверхности пластин. На второй стадии диффузии в окнах базы наращивается слой оксида, достаточный для маскирования при эмиттерной диффузии. Выбор метода диффузии определяется конкретными условиями производ­ства. Применяют твердые и жидкие источники диффузанта.

Фотолитография эмиттера заключается в создании окон в слое оксида, выращенном над базовой областью в процессе предыдущей диффузии. Опасные дефекты для ФЛ эмиттера — островки оксида внутри окон и проколы в оксиде, защищающем базовую область. Например, проколы, попадающие в область распространения объ­емного заряда перехода база — коллектор, могут снизить пробив­ное напряжение прибора. Помимо дефектов при ФЛ на выход год­ных изделий влияет точность совмещения эмиттерного и базового окон.

Диффузия фосфора для создания эмиттера осуществляется обычно из жидкого источника — треххлористого фосфора или хлор окиси фосфора. Поверхностное сопротивление диффузионного слоя поддерживается в пределах 1... 30 Ом/О, а глубина р — n-перехода варьируется таким образом, чтобы достигалась заданная ши­рина активной базы транзистора.

Оксид, образовавшийся на поверхности пластины во время пе­рераспределения примесей, служит в качестве маски при после­дующей диффузии для создания эмиттера, а в качестве примесей n-типа наиболее часто используется фосфор. Глубина р — n-перехода регулируется во время цикла перераспределения так, чтобы обеспечить ширину базы 0,3... 0,8 мкм. Для этого глубина диф­фузии эмиттера должна быть 0,8... 1 мкм.

После создания областей п — р — n-типа в структуре кремния необходимо сформировать омические контакты алюминия с крем­нием в каждой области. С этой целью вскрываются окна под кон­такты и проводится диффузия в соответствующие области.

Фотолитография контактных окон — наиболее ответственная фотолитографическая операция при изготовлении структур ИМС. В этой операции одинаково важную роль играют и точная переда­ча размеров окон, и качество совмещения, и наличие дефектов — проколов в слое оксида. При этом размеры контактных окон и зазоры при их совмещении всегда меньше, чем размеры и зазоры на других операциях ФЛ. Размеры проколов, опасных при ФЛ кон­тактных окон, также очень малы — доли микрометра. Адгезия фо­торезиста к фосфоросиликатному стеклу, остающемуся после соз­дания эмиттера, значительно ниже, чем адгезия его к оксиду. В ре­зультате часто наблюдаются растравливание, увеличение размеров окон и другие виды брака. Дефекты, возникшие на стадии ФЛ кон­тактных окон, проявляются после формирования контактов. Алюминий, например, проникает сквозь проколы в оксидной пленке толщиной около 0,3 мкм. Поэтому отсутствие дефектов — важней­шее требование, предъявляемое к ФЛ контактных окон.

Металлизация контактов производится напылением алюминия в вакууме. Толщина алюминия колеблется от 0,1 до 0,2 мкм в обычных ИМС. От способа и режима напыления в большой степе­ни зависят характеристики контактов и качество последующей ФЛ.

Фотолитография контактов не очень сложна при малых толщи­нах слоя алюминия (0,1 мкм). Дефектами ее являются только невытравленные участки алюминия между контактными полосками, вызывающие замыкания линий.

При химической обработке пластин с алюминиевыми контакта­ми в отличие от предыдущих обработок для удаления фоторези­ста нельзя использовать кислоты. Обычно применяют горячие орга­нические растворы или удаляют фоторезист в кислородной плазме. Термообработку напыленных алюминиевых контактов при температуре 450°С в атмосфере аргона (5... 10 мин) производят для улучшения адгезии алюминиевого слоя к оксиду и снижения пере­ходных сопротивлений контактов.

Проверка вольт-амперных характеристик структур осуществляется с помощью зондовых установок; одновременно бракованные структуры маркируют.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ МПД-ИМС

Разработка ИМС на полевых транзисторах, в основе которых лежит интегральный транзистор со структурой металл — диэлект­рик — полупроводник, — крупнейшее достижение радиоэлектрони­ки последнего тридцатилетия.

Один из основных (базовых) вариантов технологии МДП-ИМС — изготовление МДП-транзисторной структуры с ка­налом р-типа.

Исходным материалом для получения такой структуры служит пластина кремния n-типа толщиной 200... 250 мкм. Расположенные близко друг к другу области истока и стока р-типа создаются диффузией на глубину 1... 2 мкм через окна в оксидной маске. Между этими областями на поверх­ности кремния должна быть сформирована чрезвычайно чистая тонкая (50... 100 нм) пленка оксида кремния (Si0₂), на которую наносится пленка алюминия, служащая затвором МДП-транзистора. На истоке и стоке формируются омические контакты алю­миния к областям р-типа. В случае, когда в качестве подзатвор­ного диэлектрика используется оксид кремния, ИМС называют ИМС-МОП

(металл — оксид — полупроводник) –типа или МОП-ИМС.

Конструкция МДП-транзистора ИМС:

1, 3 — алюминиевые контакты истока и стока соответственно; 2 — алюминиевый затвор; 4 — изолирующий оксид; 5 —крем­ниевая подложка; 6 —области р-типа сто­ка и истока; 7— подзатворный диэлектрик

Заметное упрощение конструкции и технологии производства, высокая надежность и более низкая стоимость по сравнению с биполярными ИМС послужили основой для широкого внедрения МОП-ИМС в радиоэлектронные устройства.

Последние достижения технологии МОП-ИМС обеспечивают почти такие же их быстродействия, как и у биполярных ИМС. Это обстоятельство позволяет предполагать, что МОП-ИМС в ближайшем будущем вытеснят биполярные ИМС из многих обла­стей применения и сделают их доминирующими в производстве ИМС.

Общее число технологических операций в производстве МОП-ИМС составляет 45, а биполярных ИМС—130. Уменьше­ние числа сложных операций в технологии МОП-ИМС приводит к резкому повышению выхода годных устройств при той же функ­циональной сложности их. Кроме того, малые размеры этих ИМС и простота их проектирования и изготовления дают возможность быстро наращивать выход годных и переходить к производству БИС, СБИС и МП на одном кристалле.

Благодаря электрической самоизоляции элементов в МОП-ИМС снимаются проблемы, связанные с технологией со­здания изолирующих областей структур и тем самым увеличива­ется эффективность использования поверхности пластины, что способствует уменьшению размеров МОП-транзисторов. Поэтому плотность элементов на 1 см² в МОП-ИМС значительно выше, чем в биполярных ИМС.

В последние годы было разработано несколько конструктивно-технологических вариантов МОП-ИМС. Вторым основным ва­риантом ТП является МОП-ИМС на основе МОП-транзистора с индуцированным каналом, n-типа — n-МОП-ИМС. Конструктив­но этот элемент отличается только тем, что в качестве исходной пластины берется кремний р-типа, а области истока и стока фор­мируются n-типа. Такие ИМС позволяют достигать большего бы­стродействия.

Обработка пластин кремния с невысокой концентрацией но­сителей (10¹⁵ см^-3) осуществляется с максимальной тщательно­стью. Сильно легированные фосфором слои n-типа (области истока и стока) толщиной 0,1... 0,2 мкм создаются на расстоянии 2... 4 мкм друг от друга методом диффузии. Затвор служит управляющим электродом МОП-транзистора. При опреде­ленном смещении под затвором образуется проводящий канал n-типа между областями истока и стока.

Важный КТВ МОП-ИМС — комплементарные ИМС (К-МОП), где в одной микросхеме совмещены р- и n-канальные транзисторы.

Для улучшения качества МОП-ИМС, главным образом для снижения порогового напряжения и повышения надежности транзисторных структур, часто применяют затворы из поликри­сталлической пленки кремния (поликремниевый затвор) и много­слойную подзатворную диэлектрическую пленку из оксида и нитрида кремния.

Характерная направленность конструкций и технологий ИМС в последнее десятилетие и в ближайшем будущем — микроми­ниатюризация интегральных МОП-приборов. Уменьшение разме­ров элементов МОП-ИМС приводит к улучшению всех их основ­ных параметров. У разработчиков МОП-ИМС существует мнение, что уменьшение геометрических размеров приборов вызывает пропорциональное изменение всех основных параметров ИМС и процесса их производства — теория пропорциональной микроминиатюризации.

Возможности уменьшения геометрических размеров элементов ИМС зависят от технического уровня технологии, особенно ФЛ, применения ионной имплантации, обеспечивающей самосовмеще­ние затвора и канала, а также от стабильности качества и точно­сти контроля толщины диэлектрического слоя.

Поскольку МОП-ИМС с индуцированным р-каналом — пер­вый и базовый КТВ для многих последующих более совершенных МОП-ИМС, то сначала опишем этот КТВ подробно, а затем рас­смотрим характер и пути его совершенствования. Такой подход пока необходим, так как сегодня трудно отдать предпочтение ка­кому-либо варианту МОП-ИМС с вполне достаточными на то ос­нованиями, хотя такая попытка будет предпринята при дальней­шем изложении материала.

Прежде чем перейти к собственно технологии МОП-ИМС, важно выяснить, как физико-технологические факторы влияют на параметры качества приборов и какие из них являются домини­рующими в процессе производства МОП-ИМС.

Структура МОП-транзистора, используемая для расчета:

1 — область истока; 2 — контакт истока; 3 — слой диэлектрика; 4 — затвор с контактом; 5 —кон­такт стока; 6 — область стока; 7 — обедненная область; 8— инверсионный слой толщиной 10 нм; 9 —подложка n-типа; х и у— компоненты вектора электрического поля; OL—длина канала; /_c — ток канала

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: