Общие сведения о технологии изготовления полупроводниковых микросхем

Создание микросхем начинается с подготовки полупроводниковых пластин. Их получают разрезанием монокристаллических полупроводниковых слитков цилиндрической формы с последующими шлифовкой, полировкой и химическим травлением для удаления верхнего дефектного слоя и получения зеркальной поверхности с шероховатостью (высотой неровностей) 0,03... 0,05 мкм. Диаметр пластин не превышает 150 мм, толщина около 0,5 мм, допустимый прогиб и отклонение от параллельности поверхностей не более 10 мкм по всему диаметру. Пластины характеризуются типом (п или р) электрической проводимости (электропроводности), удельным сопротивлением, а также кристаллографической ориентацией поверхности.

Для последующих операций исключительно важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т. п. Эффективна ультразвуковая очистка, когда пластины погружают в ванну с растворителем, перемешиваемым с помощью ультразвука.

Технологический цикл может быть разделен на два больших этапа - обработки пластин и сборочно-контрольный.

Первый этап включает процессы, формирующие на пластинах структуры микросхем, т. е. их элементы и соединения. Для реализации элементов в определенных местах пластины создают области с требуемыми типом электропроводности и удельным сопротивлением, вводя соответствующие примеси или наращивая слои на поверхность. Проводники соединений, а в совмещенных микросхемах резисторы и конденсаторы получают нанесением на поверхность пластин пленок. Геометрия легированных областей и тонкопленочных слоев задается масками, формируемыми с помощью литографии. В результате на пластинах образуется матрица одинаковых структур, каждая из которых соответствует одной микросхеме, т. е. на данном этапе микросхемы создаются групповыми методами.

Второй этап начинается с контроля функционирования микросхем на пластине. Электрические контакты с отдельными микросхемами осуществляются с помощью механических зондов — тонких игл, устанавливаемых на контактные площадки микросхем. Зондовый контроль производится на автоматизированных установках, дефектные микросхемы маркируются. Повышение степени интеграции и разработка СБИС ставят задачу проверки целостности связей и выявления всех дефектных элементов на пластинах. Для этой цели разработаны более сложные и эффективные методы контроля: электронно-лучевое зондирование, исследование поверхности пластин с помощью электронного микроскопа и др.. Для повышения процента выхода годных микросхем в некоторых СБИС предусматривают резервирование отдельных элементов или узлов. После выявления дефектных элементов или участков устраняют их связи со всей схемой, например, пережиганием проводников с помощью остросфокусированного лазерного луча.

После контроля пластины разрезают на кристаллы, соответствующие отдельным микросхемам, и дефектные кристаллы отбраковывают. Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют контактные площадки кристаллов с выводами корпуса (монтаж выводов) и герметизируют корпус. Затем производят контроль и испытания готовых микросхем с помощью автоматизированных систем, работающих по заданной программе. Различают тестовый контроль (проверка функционирования) и параметрический, заключающийся в измерении электрических параметров и проверке их соответствия нормам технических условий.

Контрольно-сборочные операции производятся индивидуально для каждой микросхемы в отличие от групповых процессов создания микросхем на этапе обработки пластин. Поэтому они в значительной степени (30... 40 %) определяют трудоемкость изготовления, стоимость и надежность микросхем.

3.2 ЭПИТАКСИЯ

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструкции.

Типовой — хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рис. 3.1.). Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl₄. При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин происходит реакция

SiCl₄ + 2Н₂ = Si + 4HC1.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары НС1 уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Химическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве.

Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспортной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), переносящий примесь в зону реакции, – газом-носителем.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений бора (В₂Н₆) или фосфора (РН₃), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В установке, показанной на рис. 3.1., предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах НС1 (с целью очистки). Эти операции проводятся до основных операций.

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать монокристаллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей тоже любым типом и величиной проводимости (рис 3.2.).

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии материалы пленки и подложки должны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Например, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке.

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в настоящее время играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила арсенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоев (1-10 мкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами.

В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т.е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

3.3. ЛЕГИРОВАНИЕ.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Этому способу мы уделим главное внимание. Однако за последние годы широкое распространение получил и другой способ легирования — ионная имплантация, — который рассматривается в конце раздела.

Диффузия. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 3.3, а), а во втором — на определенных участках пластины через окна в маске, например, в слое Si0₂ (рис. 3.3, б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального слоя неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую N_a(x) на рис. 3.3,а).

В случае локальной диффузии примесь распространяется не только вглубь пластины, но и во всех перпендикулярных направлениях, т.е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок р-n-перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 3.3, б).Соотношение между глубинами боковой и основной — «вертикальной» — диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя L.Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,7 L.

Примеси характеризуются коэффициентом диффузии D, определяющим плотность потока П диффундирующих атомов, т. е. атомов, проходящих в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению диффузии: П = -D grad N. Чем больше D, тем быстрее распространяются примесные атомы и меньше время получения слоя заданной толщины. Теоретические расчеты показывают, что , следовательно, время диффузии . Для бора или фосфора при L= 2... 3 мкм и температуре Т —1100°С оно составляет около одного часа, а для мышьяка или сурьмы (доноры) на порядок больше из-за меньшего D. Формирование слоев большой толщины (около 10 мкм) — длительный процесс, который применяется редко. Коэффициент диффузии существенно увеличивается с ростом температуры - на порядок на каждые 100 ºС. С этим связана необходимость поддерживания температуры с высокой точностью: ± (0,1... 0,2) °С.

Другой параметр примесей — предельная растворимость (максимально достижимая концентрация примесей N_npen) в отличие от D незначительно увеличивается с ростом температуры (в 2.:.3 раза на каждые 300 °С при Т< 1300 °С). Она составляет 10²⁰...10²¹ при T = 1100°С.

Использовать чистые легирующие вещества затруднительно. Например, бор тугоплавок, мышьяк высокотоксичен, фосфор легко воспламеняется и т. д. В качестве источников примесей применяют их соединения в твердом (В₂О₃, Р₂О₅), жидком (ВВг₃, РОС1₃) или газообразном (В₂Н₈, РН₃) состоянии, называемые диффузантами. В результате химических реакций на поверхностях пластин при высокой температуре выделяются нужные атомы примесей.

Если над пластинами избыток диффузанта, то у их поверхности быстро устанавливается максимальная концентрация примесей, близкая к предельной растворимости, которая далее не изменяется.

Распределение концентрации примесей при таком режиме диффузии, называемом загонкой примесей, показано на рис. 3.4.адля разных температуры и времени процесса. Атомы примесей сосредоточены в узком приповерхностном слое. Назначение загонки обычно состоит во введении определенной дозы легирования (числа атомов, поступающих через единицу поверхности) . Для окончательного формирования диффузионного слоя введенную примесь подвергают перераспределению на втором этапе, называемом разгонкой примесей. Подачу диффузанта прекращают, примеси распространяются вглубь при , поверхностная концентрация уменьшается, а толщина слоя возрастает. На рис. 3.4.б приведены графики функции N(х)после загонки и разгонки .

Для создания нескольких слоев с разными типами электропроводности диффузия проводится многократно. Например, при первой диффузии в пластине n-типа можно сформировать р-слой, а затем при второй диффузии ввести в него доноры на меньшую глубину, получив структуру типа n-p-n.При многократной диффузии концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, чтобы изменился тип проводимости и образовался p-n-переход. Максимальная концентрация ограничена предельной растворимостью, поэтому число последовательных диффузий, как правило, не превышает трех. Последующие диффузии из-за высокой температуры вызывают нежелательную разгонку примесей, введенных на предыдущих этапах. Поэтому температуру и (или) время последующих диффузий надо выбирать меньше, а коэффициент диффузии и предельную растворимость примесей больше, чем для предыдущих.

Ионное легирование. Ионной имплантацией называют метод легирования пластины (или эпитаксиального слоя) путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, достаточной для их внедрения вглубь твердого тела.

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов, и фокусировка ионного пучка осуществляются в специальных установках типа ускорителей частиц в ядерной физике. В качестве примесей используются те же материалы, что и при диффузии.

Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Чем больше энергия, тем больше получается толщина имплантированного слоя. Однако с ростом энергии возрастает и количество радиационных дефектов в кристалле, т.е. ухудшаются его электрофизические параметры. Поэтому энергию ионов ограничивают величиной 100-150 кэВ. Нижний уровень составляет 5-10 кэВ. При таком диапазоне энергии глубина слоев лежит в пределах 0,1-0,4 мкм, т.е. она значительно меньше типичной глубины диффузионных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени процесса или, как говорят, от времени экспозиции.В зависимости от плотности тока и желательной объемной концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 мин и более (иногда до 1-2 ч). Разумеется, чем больше время экспозиции, тем больше количество радиационных дефектов.

Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рис. 3.5 сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума. Вблизи максимума кривая хорошо аппроксимируется функцией Гаусса.

Поскольку площадь ионного пучка меньше площади пластины (а иногда и кристалла), то приходится сканировать пучок, т.е. плавно или «шагами» перемещать его (с помощью специальных отклоняющих систем) поочередно по всем «строкам» пластины, на которых расположены отдельные ИС.

По завершении процесса легирования пластину обязательно подвергают отжигупри температуре 500 - 800 °С для того, чтобы упорядочить кристаллическую решетку кремния и устранить (хотя бы частично) неизбежные радиационные дефекты. При температуре отжига процессы диффузии несколько меняют профиль распределения (см. штриховую кривую на рис. 3.5).

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной имплантации, оказывается затруднительным. Поэтому ионная имплантация получила главное распространение при создании тонких одинарных слоев.

Главными преимуществами ионной имплантации являются: 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.

Ионная имплантация так же, как диффузия, может быть общей и локальной (избирательной). Легирование обычно осуществляют через маску SiO₂ или Si₃N₄ толщиной около 0,5 мкм, превышающей длину пробега ионов в этих материалах. Так как ионный пучок направлен перпендикулярно поверхности, а боковое рассеяние ионов невелико, то горизонтальные размеры легированной области точно соответствуют отверстию в маске (рис. 3.6.). Это является преимуществом по сравнению с легированием путем диффузии, так как позволяет получать области меньших размеров. Принципиально возможно локальное легирование без применения маски с помощью сканирования остросфокусированного ионного пучка, включаемого и выключаемого по заданной программе.

3.4. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЛЕНКИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

Окисление кремния – один из самых характерных процессов в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния (Si0₂) выполняет несколько важных функций, в том числе: функцию защиты – пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p-n-переходов, выходящих на поверхность (рис. 3.7.а); функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 3.7.б); функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзистора (рис. 3.7.в).

Такие широкие возможности двуокиси кремния – одна из причин того, что кремний стал основным материалом для изготовления полупроводниковых ИС.

Применение пленки SiO₂ в качестве маски при диффузии примесей основано на том, что коэффициент диффузии ряда примесей (Р, В, As, Sb и др.) в ней значительно меньше, чем в кремнии. При ионном легировании маскирующее свойство слоя SiO₂ основано на том, что длина пробега ионов меньше толщины слоя.

Пленка SiO₂ прозрачна, имеет блестящую стеклянную поверхность и при толщине в десятые доли микрометра кажется окрашенной вследствие интерференции света, отраженного от ее поверхности и поверхности кремния. По этой окраске можно приближенно определить ее толщину. Например, зеленый цвет соответствует толщине 0,27 мкм. Диоксид кремния и кремний имеют близкие температурные коэффициенты расширения (ТКР), благодаря чему не происходит механических повреждений пленки при изменениях температуры. Диэлектрическая проницаемость SiO₂ составляет 0,3 пФ/см, а электрическая прочность - 600 В/мкм. Плотность поверхностных состояний (ловушек) и скорость поверхностной рекомбинации на границе Si – SiO₂ гораздо меньше, чем на поверхности неокисленного кремния и составляют соответственно 10⁹... 10¹¹ см^-3 и 1... 100 см/с. Слой SiO₂ защищает поверхность кремния от проникновения посторонних химических веществ и влаги.

Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком малую толщину (около 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из перечисленных функций. Поэтому в технологии ИС пленки Si0₂ получают искусственным путем.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000-1200 °С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление),в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды.

Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Через трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне. Получаемая таким образом пленка SiO₂ имеет аморфную структуру.

Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки SiO₂ толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000 °С требуется около 5 ч, а во влажном — всего 20 мин. 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 (d = 0,5-0,8 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d =0,05-0,15 мкм) — функции подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах.

Одной из важных проблем при выращивании пленки Si0₂ является обеспечение ее однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро- и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле).

Качество окисной пленки повышается с уменьшением температуры ее выращивания, а также при использовании сухого кислорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП-транзистора, получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса.

Во многих микросхемах слои SiO₂ необходимо выращивать локально, на определенных участках кристалла. Для этого используют маску нитрида кремния (рис. 3.8, а). Диоксид растет вверх, вниз и в боковых направлениях (под маску) примерно с одинаковой скоростью (рис. 3.8, б). Прорастание диоксида в глубь кристалла позволяет использовать его для изоляции соседних слоев. Например, если после окисления удалить маску Si₃N₄ и провести неглубокое легирование донорами, то получим изолированные друг от друга слои n-типа (рис. 3.8, в). Рост диоксида в боковом направлении обусловливает характерную вытянутую заостренную форму на краях, препятствующую получению малых расстояний между соседними изолированными областями, а рост вверх приводит к неровностям поверхности. Для получения ровной поверхности перед окислением вытравливают канавки глубиной в половину толщины диоксида, используя ту же маску Si₃N₄.

ТРАВЛЕНИЕ

Травление представляет собой удаление поверхностного слоя не механическим, чаще всего химическим, путем. Его применяют для получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин, не достижимой механическими способами обработки, удаления SiO₂ и других слоев с поверхности. Локальное травление используется для получения необходимого рельефа поверхности, формирования рисунка тонкопленочных слоев, а также масок.

Жидкостное травление. В основе жидкостного травления лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение. Подбором химического состава, концентрации и температуры травителя обеспечивают заданную скорость травления (порядка 0,1 мкм/мин) и толщину удаляемого слоя. Локальное травление осуществляют через маску. Оно может быть изотропным и анизотропным.

Изотропное травление идет с одинаковой скоростью во всех направлениях — как вглубь, так и под маску. Примером такого процесса служит травление слоя SiO₂ через маску фоторезиста (рис. 3.9). Основной компонент травителя — плавиковая кислота HF. Размер W вытравленной области больше размера отверстия W₀ в маске на величину, превышающую удвоенную толщину d слоя SiO₂ (W > W₀ + 2d). В связи с этим жидкостное изотропное травление не позволяет получить в слое SiO₂ отверстия достаточно малых размеров. Так как этот слой в свою очередь является маской при легировании, то не могут быть реализованы элементы микросхем достаточно малых размеров. Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, количественно оцениваемой отношением скоростей травления требуемого слоя (например, SiO₂) и других слоев (например, кремния, фоторезиста).

Сухое анизотропное травление. Такое травление производят в вакуумной установке в плазме газового разряда. Различают ионное травление, основанное на физическом распылении материала при бомбардировке его ионами инертных газов, плазмохимическое травление, основанное на химическом взаимодействии активных частиц плазмы (ионов, атомов, молекул) с материалом, подвергающимся травлению, и комбинированное реактивное ионное травление.

Важнейшим достоинством сухого травления является его анизотропия: травление идет преимущественно в вертикальном направлении, в котором движутся частицы. Размер вытравленной области весьма точно соответствует размеру отверстия в маске. На рис. 3.10 показано травление слоя диоксида кремния через маску фоторезиста. Процесс позволяет получать отверстия в слое SiO., меньших размеров, чем при жидкостном травлении. Количественно анизотропия оценивается отношением скоростей травления в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Ионное травление практически не обладает избирательностью. Поэтому несмотря на максимальную анизотропию использовать его для локального травления затруднительно. Ионное травление применяется в основном для очистки поверхности от загрязнений. Плазмохимическое травление производится при давлении порядка 500 Па в плазме высокочастотного газового разряда. На поверхность пластин попадают ионы с малыми энергиями (100 эВ) и нейтральные химически активные атомы и молекулы. Анизотропия в этом случае мала (2...5), но обеспечиваются высокая избирательность (до 50) и скорость травления 2... 10 нм/с.

Наиболее широкие возможности имеет реактивное ионное травление. Оно производится при меньших давлениях (около 1 Па) и больших энергиях ионов (до 500 эВ). Скорость химических реакций нейтральных атомов и молекул с материалом, подвергаемым травлению, возрастает вследствие бомбардировки его ионами. При низких давлениях средняя длина свободного пробега молекул намного больше глубины травления, а скорость взаимодействия газа с горизонтальной поверхностью пластины больше, чем с боковыми стенками углублений. С другой стороны химические реакции, ослабляя связи атомов на поверхности, способствуют физическому распылению материала ионами. Все это обусловливает высокую анизотропию процесса (до 100) при хорошей избирательности (до 30) и достаточно высокой скорости (0.3...3 нм/с).

3.6. ПРОВОДНИКИ СОЕДИНЕНИЙ И КОНТАКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМАХ

Элементы в микросхемах соединяются тонкопленочными проводниками. Предварительно в слое SiO₂, покрывающем поверхность пластины, вытравливают контактные отверстия. Проводящую пленку наносят на всю поверхность, а затем ее травят через маску и формируют рисунок соединений. Материал пленки должен обеспечивать омический контакт с кремнием, иметь низкое удельное сопротивление, хорошую адгезию к кремнию и диоксиду, без разрушения выдерживать высокую плотность тока. Он должен быть механически прочным, не повреждаться при изменениях температуры (из-за разных ТКР пленки, пластины и слоя SiO₂), а также не подвергаться коррозии и не образовывать химических соединений с кремнием. Металла, удовлетворяющего всем этим требованиям, не существует. Наиболее полно им отвечает алюминий, имеющий удельное сопротивление 2,6 10^-6 Ом-см. Он наносится термическим вакуумным испарением. При толщине 0,5... 1 мкм сопротивление слоя равно 0,025.. 0,05 Ом/*.

После создания рисунка соединений производится вжигание контактов при температуре 550 ºС в течение 5... 10 мин. При этом имеет место реакция 2Al+3SiO₂ = А1₂О₃ + 3Si, улучшающая адгезию пленки к слою SiO₂. В местах контактных отверстий удаляются возможные остатки SiO₂, и алюминий внедряется в кремний (его поверхностная концентрация около 5-10¹⁸ см^-3). Это улучшает контакт и адгезию.

Алюминий является акцептором, поэтому контакт к областям p-типа всегда омический. Для получения омического контакта к области n-типа концентрация доноров в ней должна быть выше, чем алюминия. При низкой концентрации доноров произойдет перекомпенсация поверхностного слоя акцепторами (Аl), изменение его типа проводимости с nна p и образование p-nперехода. При формировании омического контакта к n-слою с низкой концентрацией доноров необходимо предварительно создать сильнолегированную контактную n⁺-область (рис. 3.11) с концентрацией доноров порядка 10²⁰ см^-3.

В БИС (СБИС) недостаточно одного слоя соединений, так как не удается осуществить разводку проводников без пересечений. Поэтому создают два или три слоя проводников, разделенных слоями диэлектрика (обычно SiO₂), получаемыми методом осаждения из газовой фазы. В слое SiО₂ делают отверстия для контактов между проводниками соседних слоев. Алюминий имеет ряд существенных недостатков, особенно как материал первого слоя. Например, в случае неглубоких р-п переходов (0,5... 1 мкм) диффузия алюминия в кремний при термообработке может приводить к их разрушению (замыканию). Высокая плотность тока вследствие малых толщины и ширины проводников вызывает эффект электромиграции —переноса атомов Al, нарушающего однородность пленки вплоть до разрывов. Разрывы проводников чаще всего происходят в местах неровностей поверхности. Малая температура плавления алюминия затрудняет проведение последующих высокотемпературных операций. Легкая окисляемость с образованием пленки Аl₂О₃ ухудшает контакты между слоями.

В качестве проводников первого слоя во многих микросхемах используют легированный поликристаллический кремний. Он образует омические контакты к областям того же типа проводимости и слабоинжектирующие переходы с областями противоположного типа. Иногда (например, в МДП-микросхемах) применяют два слоя поликремния и слой металла (верхний). Недостатком поликремниевых проводников является высокое сопротивление слоя (до 20...30 Ом/П). Оно снижается на порядок, если вместо поликремния использовать силициды (соединения с кремнием) тугоплавких металлов: Та, W, Мо и др. Они образуют хорошие омические и выпрямляющие контакты к кремнию, термостойки и обладают хорошей адгезией к кремнию и слою SiO₂. Однако в СБИС при снижении толщины и ширины проводников из силицидов металлов, но сохранении достаточно большой длины их сопротивления все же недопустимо большие. В этом случае применяют тугоплавкие металлы, имеющие малое сопротивление слоя, плотность тока которых без электромиграции может быть в 20... 40 раз больше, чем Аl (до (1...2) 10⁶ А/см²). Например, молибденовый проводник шириной 3 мкм и толщиной 0,4 мкм имеет сопротивление слоя 0,14 Ом/* и предельный ток 10 мА. Для алюминия эти величины равны соответственно 0,06 Ом/* и 0,5 мА.

В полупроводниковых микросхемах широко применяются диоды со структурой металл – полупроводник, при создании которых ставится обратная задача: получить выпрямляющий (но не инжектирующий) контакт. Он может быть образован только к слаболегированным областям при концентрациях примесей не более 10¹⁶ см^-3. Практически все применяемые металлы (в том числе и алюминий) образуют контакты с лучшими выпрямляющими свойствами к областям n-типа, чем к областям p-типа. Для стабилизации и улучшения свойств контакта после нанесения пленки проводят термообработку. При использовании алюминия температура должна быть невысокой (менее 300 °С), в противном случае образуется p-nпереход, при контакте с n-слоем или омический контакт при контакте с p-слоем. Таким образом, создать одновременно омические и выпрямляющие контакты на одном кристалле, используя один и тот же металл (А1), затруднительно. На практике применяют разные металлы. Например, хорошие выпрямляющие контакты с кремнием n-типа образуют силициды тугоплавких металлов (Pt), получаемые нанесением металла с последующей термообработкой.

3.7. ЛИТОГРАФИЯ.

Литография — это процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для локального легирования, травления, окисления, напыления и других операций.

Ведущую роль в технологии микросхем занимает фотолитография. Она основывается на использовании светочувствительных полимерных материалов – фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимери-зуются и становятся нерастворимыми в специальных веществах – проявителях. После локальной засветки (экспонирования) растворяются и удаляются незасвеченные участки. Наибольшая чувствительность негативных фоторезистов соответствует длине волны света 0,28 мкм (ультрафиолет), поэтому экспонирование осуществляют с помощью кварцевой лампы. В позитивных фоторезистах свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Максимальная чувствительность соответствует более длинным волнам (до 0,45 мкм – видимое излучение). Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворенных (проявленных) участков, чем негативные, т. е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования.

Рисунок будущей маски задается фотошаблоном. Он представляет собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка (Cr, Cr₂O₃, Fe₂0₃ и др.) требуемой конфигурации. В связи с групповыми методами создания микросхем на шаблоне имеется матрица одинаковых рисунков, соответствующих отдельным микросхемам в масштабе 1:1 (рис. 3.12.).

Рассмотрим основные этапы процесса фотолитографии на примере получения маски SiO₂. На окисленную поверхность кремниевой пластины наносят несколько капель раствора фоторезиста. С помощью центрифуги его распределяют тонким (около 1 мкм) слоем по поверхности пластины, а затем высушивают. На пластину накладывают фотошаблон (ФШ)рисунком к фоторезисту (ФР)и экспонируют (рис. 3.13,а), затем его снимают. После проявления негативный фоторезист удаляется с незасвеченных участков (рис. 3.13,б),а позитивный — с засвеченных. Получается фоторезистивная маска, через которую далее травят слой SiO₂, после чего фоторезист удаляют (рис. 3.13, в).

Фотошаблоны. При создании полупроводниковых микросхем фотолитография проводится многократно, для чего требуется комплект фотошаблонов. Каждый из них задает рисунок тех или иных слоев (например, базовых и эмиттерных областей транзисторов, контактных отверстий, проводников и т. д.). Созданию фотошаблонов предшествует топологическое проектирование микросхемы с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) на основе принципиальной электрической схемы.

Процесс изготовления фотошаблонов для микросхем с малой и средней степенями интеграции начинается с вычерчивания фотооригиналов — послойных топологических чертежей одной микросхемы, выполненных в увеличенном масштабе (например, 500:1) с большой точностью с помощью специальных устройств — координатографов, работающих в автоматическом режиме в соответствии с управляющей программой, задаваемой ЭВМ. Чертеж вырезается в непрозрачной пленке, нанесенной на прозрачную подложку (стекло, пластик). Размер фотооригинала доходит до 1 м при точности вычерчивания линий ±25 мкм. Оригинал фотографируют с редуцированием (уменьшением) в 20...50 раз, получая промежуточный фотошаблон. Последний, в свою очередь, фотографируют с уменьшением, осуществляя мультипликацию (размножение) рисунков и получая эталонный фотошаблон с матрицей одинаковых рисунков в масштабе 1:1. Мультипликация производится в фотоповторителях (фотоштампах), где в промежутках между экспонированием каждого участка перемещают пластину эталонного фотошаблона с шагом, соответствующим размеру кристалла микросхемы. Существуют также многопозиционные фотоштампы с многолинзовыми объективами, дающие одновременно большое число изображений, что ускоряет процесс. С эталонного шаблона методом контактной печати изготовляют рабочие шаблоны, которые и используют в процессе фотолитографии. При наложении шаблона на полупроводниковые пластины его поверхность повреждается и шаблон изнашивается. После 50...100 наложений рабочий шаблон заменяется новым.

Описанный процесс получения фотошаблонов – многоступенчатый. На каждой ступени происходит накопление дефектов в рисунке. Поэтому при производстве БИС и СБИС, характеризующихся очень малыми размерами элементов рисунка и высокой треб

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: